PONTIFICIA)UNIVERSIDAD)JAVERIANA)
Evaluación)del)Efecto)en)la)Contracción)del) Concreto)con)Fibras)Estructurales)de) Polipropileno
)
) ) José Libardo Manzano Valbuena 16/06/2014
)FACULTAD)DE)INGENIERÍA) DEPARTAMENTO)DE)INGENIERÍA)CIVIL) BOGOTÁ)D.C.))
Presentado por:
José Libardo Manzano Valbuena C.C. 1.032.432.499 de Bogotá
Director: María Patricia León Neira I.C., M.S.C
Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil Bogotá D.C. Junio de 2014
Dedicatoria A mi familia y amigos, gracias por contar con su apoyo.
Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Tabla de contenido Tabla de contenido................................................................................................................... I! Listado de Figuras ................................................................................................................ III! Listado de Tablas y Ecuaciones............................................................................................ IV! 1! Introducción ...................................................................................................................... 1! 2! Objetivos ........................................................................................................................... 4! 2.1! Objetivó General........................................................................................................ 4! 2.2! Objetivos Específicos ................................................................................................ 4! 3! Marco Teórico .................................................................................................................. 5! 4! Estado del Arte ............................................................................................................... 15! 5! Metodología .................................................................................................................... 23! 5.1! Caracterización de los materiales: ........................................................................... 23! 5.2! Diseño de la Mezcla de Concreto ............................................................................ 24! 5.3! Diseño y Fabricación del Túnel de Viento .............................................................. 26! 5.4! Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno .................................................................................................................... 32! 6! Resultados y Análisis de Resultados .............................................................................. 33! 6.1! Caracterización de materiales .................................................................................. 33! 6.1.1! Curva de Gradación de los Agregados ............................................................. 33! 6.1.2! Propiedades de los Agregados .......................................................................... 33! 6.2! Diseño de la Mezcla ................................................................................................ 35! 6.3! Diseño y Calibración del túnel ................................................................................ 37! 6.3.1! Consideraciones Generales ............................................................................... 37! 6.3.2! Medición de Velocidad Promedio del Viento .................................................. 40! 6.4! Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno .................................................................................................................... 42! 6.4.1! Análisis Cualitativo de la Contracción Plástica ................................................ 42! 6.4.2! Análisis Cuantitativo de la Contracción Plástica .............................................. 45! 6.4.3! Caracterización Mecánica................................................................................. 53! 6.4.4! Evaluación Económica del Uso de Fibras y Malla Electro Soldada ................ 59! 7! Conclusiones y Recomendaciones.................................................................................. 60! I
Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno 8! Referencias ..................................................................................................................... 61! 9! Anexos ............................................................................................................................ 64!
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Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Listado de Figuras Figura'1.'Fibras'autofibrilantes'(Euclid'Toxement,'2013)'__________________________________________'3! Figura'2.'Tipos'de'contracción'_______________________________________________________________'6! Figura'3.'Nomograma,'obtención'de'tasa'de'evaporación'(ACIG305,2000)'___________________________'10! Figura'4.'Molde'para'ensayo'ASTM'CG1579G12'_________________________________________________'14! Figura'5.'Grafica'influencia'de'A/C'y'cemento'en'exudación'del'concreto'(Almusallam,'Maslehuddin,'AbdulG Waris,'&'Khan,'1998)'_____________________________________________________________________'16! Figura'6.'Relación'de'áreas'al'adicionar'fibras'(Boghossian'&'Wegner,'2008)' ________________________'18! Figura'7.'Reducción'de'área'por'inclusión'de'fibras'(Boghossian'&'Wegner,'2008)'_____________________'19! Figura'8.'Influencia'de'diferentes'combinaciones'de'fibras'en'un'concreto'(Choi,'Park,'&'Jung,'2011)' _____'19! Figura'9.'Cámaras'Superior'e'Inferior'! ''''Figura'10.'Fabricación'Túnel'de'Viento'___________________'26! Figura'11.'Ventiladores'adicionales'__________________________________________________________'28! Figura'12.'Cuadricula'para'Calibración'de'Velocidad'del'Viento' ___________________________________'29! Figura'13.'Esquema'de'cuadricula,'planta'y'tres'dimensiones'_____________________________________'30! Figura'14.'Modificaciones'túnel'de'viento'_____________________________________________________'31! Figura'15.'Curvas'granulométricas'de'agregados'_______________________________________________'33! Figura'16.'Curva'combinación'de'los'agregados'________________________________________________'36! Figura'17.'Malla'extrapolada'para'medición'del'viento'__________________________________________'40! Figura'18.(a)'Concreto'Convencional'(b)'Concreto'con'Nylon'(c)'Concreto'con'altas'cuantías'de'Polipropileno' (3,2Kg/m3)'_____________________________________________________________________________'42! Figura'19.'Comparación'de'Ancho'de'Fisura'en'Mezclas'con'Nylon'y'Mezclas'con'Cuantìas'medias'de' 3' 3 Polipropileno'(2,4'Kg/m y'2,8'Kg/m )'________________________________________________________'43! Figura'20.'Comparación'Concretos'Convencional,'Nylon'y'Polipropileno'con'Menor'Cuantía'_____________'44! Figura'21.'Comparación'Concretos'con'Diferentes'Dosificaciones'de'Fibras'de'Polipropileno' ____________'44! Figura'22.'Imagen'de'software'para'análisis'cuantía'2,8Kg'_______________________________________'46! Figura'23.'Imagen'de'software'para'análisis'cuantía'2,4Kg'_______________________________________'47! Figura'24.'Imagen'de'software'para'cuantía'2,4Kg' _____________________________________________'47! Figura'25.'Resistencia'a'la'Compresión'_______________________________________________________'53! Figura'26.'Modo'de'Falla'Desconocido'en'Cilindro'con'Fibras' _____________________________________'54! Figura'27.'Módulos'de'Rotura'para'las'Vigas'__________________________________________________'55!
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Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Listado de Tablas y Ecuaciones Tabla'1.'Resistencia'a'la'flexión'de'concretos'con'fibras'(Mendoza,'Aire,'&'Davila,'2011)'..............................'21! Tabla'2.'Resistencia'al'impacto'de'concretos'adicionados'con'fibras'(Mendoza,'Aire,'&'Davila,'2011)'..........'22! Tabla'3.'Tenacidad'de'nezclas'con'adición'de'fibras'(Mendoza,'Aire,'&'Davila,'2011)'....................................'22! Tabla'4.'Ensayos'de'Caracterización'.................................................................................................................'23! Tabla'5.'Características'del'plastificante'..........................................................................................................'24! Tabla'6.'Características'de'los'agregados'........................................................................................................'34! Tabla'7.'Propiedades'de'las'fibras'....................................................................................................................'34! Tabla'8.'Características'del'diseño'....................................................................................................................'35! Tabla'9.'Proporciones'de'la'combinación'.........................................................................................................'35! Tabla'10.'Diseño'de'mezcla'para'1'metro'cúbico'.............................................................................................'37! Tabla'11.'Medición'de'condiciones'de'evaporación'en'mezclas'de'prueba'......................................................'38! Tabla'12.Comportamiento'de'condiciones'ambientales'en'cámara'.................................................................'39! Tabla'13.'Medición'de'la'velocidad'del'viento'en'cuadrantes'en'km/h.'...........................................................'41! Tabla'14.'Tabla'comparación'áreas'con'AutoCad'y'áreas'con'software'..........................................................'48! Tabla'15.Área'Promedio'Fisurada'por'Tipo'de'Mezcla'.....................................................................................'48! Tabla'16.'Ancho'Promedio'de'Fisura'por'Tipo'de'Mezcla'.................................................................................'49! Tabla'17.'Calculo'de'CRR'para'Mezclas'con'Fibras'...........................................................................................'51! Tabla'18.'Tiempos'de'Aparición'de'la'Primera'Fisura'.......................................................................................'52! Tabla'19.'Dimensiones'losa'..............................................................................................................................'59! Tabla'20.'Comparación'de'costos'construcción'losa'mediante'dos'alternativas'..............................................'59! Tabla'21.'Control'de'condiciones'en'la'cámara'................................................................................................'65! ' Ecuación'1.'Reacción'de'carbonatación'..............................................................................................................'7! Ecuación'2.'Calculo'de'tasa'de'evaporación'en'una'mezcla'de'concreto'.........................................................'11! Ecuación'3.'Ecuación'Para'el'Cálculo'del'CRR'...................................................................................................'51!
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
1 Introducción El presente trabajo tiene por objeto brindar una herramienta de estudio para comprender de mejor manera el comportamiento de los concretos adicionados con fibras y como estos pueden ser usados con objeto de evitar fenómenos nocivos que disminuyen la durabilidad de los elementos elaborados en concreto. En este documento se dan las generalidades de esta clase de mezclas, comprendiendo los diferentes materiales con los cuales se puede fabricar fibras y que función cumplen dentro del concreto endurecido como adición en la mezcla. Se explican también cuales son los fenómenos que relacionados a la contracción del concreto pueden ser mitigados mediante el uso de fibras dentro de la mezcla. Durante las últimas dos décadas las obras de ingeniería han estado en una constante carrera por destacar y ser más imponentes que cada una de las obras que le precedieron siendo el concreto hidráulico el material protagonista en la construcción de cada una de ellas. El concreto es un material compuesto por dos fases principales: una continua y una discontinua, la primera esta dada por el resultado de la mezcla de agua con cemento que conocemos como pasta, la segunda que conocemos como discontinua esta compuesta de los agregados gruesos y finos. El concreto convencional es un material frágil que tiene poca capacidad para resistir los efectos de la contracción (Pelisser, da S. Santos Neto, Lebre La Rovere, & de Andrade Pinto, 2010). El concreto convencional fue concebido para responder a las exigencias de las edificaciones cualesquiera fuera su estilo y uso. Sin embargo el concreto ha ido tomando protagonismo en otros campos en donde su uso era prácticamente desechado. El uso del concreto como superficie de rodadura que en principio se diseño para vías hoy en día se aplica en la construcción de pisos industriales de grandes dimensiones (bodegas y almacenes de grandes superficies). El concreto utilizado para estas actividades puede estar expuesto a cargas dinámicas de corta duración tales como la carga de impacto. Para esta clase de estructuras el diseño debe mejorar la capacidad de resistir la carga dinámica. Desde los años 50 el concreto reforzado con fibras (FRC) ha demostrado ser eficiente no solo en el control de la contracción plástica y el agrietamiento, también en brindar resistencia a cargas de alta velocidad de deformación (Xu, Hao, & Li, 2011). La utilización de las fibras en el interior de la matriz del concreto tiene como finalidad la formación de un concreto compuesto en el que un material diferente al agregado esta disperso en una matriz de pasta de cemento hidratada, creando un agente de refuerzo formado por un material fibroso de distinta naturaleza. Las fibras homogéneamente distribuidas dentro de una mezcla de concreto constituyen una micro armadura la cual, por un lado ha demostrado ser eficiente en la reducción de fenómenos de fisuración por retracción y por otro, confiere a la mezcla de concreto una mayor ductilidad. 1
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Sin embargo y a pesar de estos avances, uno de los problemas más comunes que se deben afrontar en la construcción con concreto es la aparición de fisuras causadas por la contracción plástica. La retracción del concreto no se puede evitar, estas fisuras que pueden no ser peligrosas al no comprometer la integridad estructural del elemento pero que si disminuyen la durabilidad del mismo y dan un mal aspecto estético deben ser controladas a fin de evitar lo más posible su aparición (Holt & Leivo, 2003). Ahora bien si las grietas de la superficie que se desarrollan como resultado de la contracción plástica se dejan sin tratar, las mismas se convierten en canales para el paso de los agentes externos que reducen la durabilidad a largo plazo (Sivakumar & Santhanam, 2007), ya sea debilitando la integridad del elemento como tal o atacando el refuerzo de acero generando la corrosión del mismo. De acuerdo con el Comité ACI-305-99, la causa principal de la formación de grietas por contracción plástica del concreto hidráulico es la tasa excesiva y rápida de evaporación del agua de la superficie de hormigón y la incapacidad o la falta de agua de curado para reemplazar el agua que se evapora (Almusallam, Maslehuddin, Abdul-Waris, & Khan, 1998). El fenómeno descrito anteriormente puede ser simplemente descrito como la disparidad entre el agua que evapora la mezcla de concreto y el agua necesaria para reducir las temperaturas que se generan producto de las reacciones de la pasta de cemento, por tanto esta relacionado con la cantidad de cemento dentro de la mezcla de concreto. Durante los últimos años el uso de microfibras distribuidas al azar cuya distribución en la mezcla esté alrededor del 0,6% en las mezclas de concreto como una manera de prevenir el agrietamiento por contracción ha sido ampliamente aceptado por los investigadores (Naaman, Wongtanakitchaoren, & Hauser, 2005). Las microfibras son fibras plásticas de polipropileno, polietileno o nylon, que ayudan a reducir la segregación de las mezclas de concreto y previenen la formación de fisuras por retracción plástica, son fibras cuyas longitudes oscilan entre los 12mm y 75mm y se dosifican en el concreto entre 0.5 kg/m3 y 1 kg/m3 según sea la recomendación del fabricante o la especificación necesaria para cumplir un requerimiento. Las macrofibras pueden ser de vidrio, acero, naturales o materiales sintéticos y se usan como refuerzo en todo el espesor del elemento pues actúan como la malla electro soldada y las varillas de refuerzo que no comprometen la estabilidad de la estructura, su diámetro oscila entre 0.25 mm y 1.5 mm con longitudes entre 13 mm y 70 mm, estas mejoran el comportamiento post-fisura del concreto generando mayor tenacidad. Las macrofibras al ser fibras auto fibrilantes pueden llegar a tener un efecto en la contracción plástica dado que las mismas al entrar dentro de la mezcla se abren en cada extremo Figura 1. mejorando así las características de adherencia en el estado endurecido, y puede tener efectos favorables en la reducción de la contracción plástica sin embargo su efecto en la disminución de la misma no se ha cuantificado. Es así como se adicionan macrofibras para el control de la contracción plástica en las mezclas de concreto con fibras auto fibrilantes Figura 1. 2
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Figura 1. Fibras autofibrilantes (Euclid Toxement, 2013)
Las fibras estructurales como la Tuff Strand son macrofibras sintéticas de una mezcla autofibrilante de polipropileno/polietileno que han sido usadas con éxito para reemplazar las fibras de acero, la malla electro soldada y las varillas de refuerzo en diferentes escenarios con las dosificaciones adecuadas. A pesar de ser recomendadas como ideales para aplicaciones estructurales, pueden llegar a ser usadas para reducir la influencia de otros fenómenos como el de la contracción plástica. Su uso es ampliamente conocido en obras en las que se usan concretos lanzados , prefabricados, pavimentos y losas de grandes superficies como las encontradas en los almacenes o cubiertas de las edificaciones naturalmente elaboradas en concreto. Dado que se han estudiado sus aplicaciones y efectividad en los parámetros mecánicos del concreto no existe certeza de su eficiencia para el control de los fenómenos relacionados a la contracción en escenarios ambientales en el que las condiciones no son las más favorables para la colocación y curado del concreto. Por tanto cuantificar la efectividad en la reducción de la contracción plástica en el concreto permitirá desarrollar métodos, herramientas y manuales a productores y constructores, para el aprovechamiento máximo de esta clase de materiales y les proveerá información de las condiciones ambientales que son favorables para la aparición de esta clase de fisuras, por tanto se reducirán costos a corto y largo plazo en las estructuras que se estén construyendo.
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2 Objetivos 2.1 Objetivó General Evaluar el efecto de las fibras de polipropileno en la contracción plástica en una mezcla de concreto.
2.2 Objetivos Específicos Comparar la contracción plástica entre las mezclas de concreto, convencional y con inclusión de fibras de nylon y de polipropileno. Caracterizar mecánicamente las diferentes mezclas de concreto, convencional y con inclusión de fibras de nylon y polipropileno.
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3 Marco Teórico Los cambios de volumen o contracción del concreto son ampliamente aceptados en la construcción, aunque existe preocupación de aquellos cambios que se presentan durante el endurecimiento, se debe entender que dichos cambios comienzan tempranamente cuando el agua entra en contacto con el cemento. Aunque se haga un correcto curado, estos cambios de no ser controlados de manera adecuada, pueden influenciar en el agrietamiento final del concreto y por tanto en su durabilidad. La mayoría de los problemas en el concreto se presentan en su edad avanzada cuando el mismo ha adquirido las resistencias para las que fue diseñado. Dentro de estos problemas se incluyen los generados por la contracción que se presenta cuando el agua de la mezcla se va perdiendo con el ambiente y el concreto se somete a cambios volumétricos, que lo hacen vulnerable a la aparición de fisuras que contribuirán a la perdida de la durabilidad (contracción temprana). Para estos problemas se han generado técnicas que tienden a disminuir el efecto de la contracción temprana, sin embargo no se han estudiado profundamente los factores que facilitan estos fenómenos dado que la adquisición de datos en campo es muy complicada y las pruebas en ambientes controlados han sido tan diversas que no hay una normalización para la toma de datos in situ. El problema de la contracción es cada vez más preocupante pues hace más difícil el mantenimiento de las estructuras que han sido diseñadas para una vida útil muy extensa, por lo general los daños producidos por este fenómeno están asociados a fenómenos que se presentan en el fraguado del concreto en tiempos demasiado extensos, pero cada vez es más común que se produzcan más temprano en el concreto dado que el mismo no está en capacidad de soportar las tensiones que se producen por la contracción. La contracción está estrechamente ligada con las reacciones químicas que se presentan en la mezcla al igual que con las presiones capilares que se generan dentro de la pasta de cemento (Holt E. E., 2001; Holt E. E., 2001). La contracción del concreto tiene lugar en dos etapas: a edades tempranas y edades tardías. Se puede definir como edad temprana aquella que está comprendida en las 24 horas iniciales, tiempo en el que la mezcla de concreto es elaborada y colocada, esta clase de contracción y las fisuras que la misma genera son especialmente problemáticas pues se producen cuando la mezcla no tiene la capacidad de disipar los esfuerzos a tensión que se desarrollan y que pueden estar relacionadas por manejos inadecuados de la mezcla, un pobre diseño de mezcla o un curado incorrecto o pobre (Chengqing, 2003). Las 24 horas posteriores después de los procesos anteriores se conoce como edad tardía. Durante esta etapa se lleva a cabo el desmolde de los elementos así como la medición de la contracción por medio de procesos estandarizados. Por lo general las mediciones que se realizan después del desmolde y que tratan la contracción, son las que más documentadas están en la literatura existente. Entre estas dos edades se dan 5
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno diferentes procesos físicos y químicos que pueden ser medidos en especímenes fabricados para tales fines. Dado que los procesos de contracción se dan en dos etapas dicha definición debe ser más amplia puesto que existen diferentes tipos de contracción según la cantidad de tiempo transcurrido, en la Figura 2. se muestran los tipos de contracción:
Contracción!
Edad!Temprana! (<24hr)!
Secado!
Plás
Autógena!
Edad!Tardía! (>24hr)!
Térmica!
Secado!
Autógena!
Carbonatación!
Térmica!
Figura 2. Tipos de contracción
La definición de las contracciones según su desarrollo en el tiempo están sujetas a los procesos que se presentan dentro de la mezcla química y físicamente, así como a aquellas reacciones que son perceptibles a la vista tales como el endurecimiento del material, el desarrollo de la resistencia y la manejabilidad que la mezcla presenta durante los procesos anteriormente mencionados. La aparición de procesos de contracción que sean o no agresivos para la mezcla dependen en gran magnitud de todas las actividades llevadas a cabo durante la colocación y el procesos de endurecimiento de la mezcla, tomando relevancia según sea el caso, más que los procesos meramente químicos presentes dentro de la mezcla de concreto (Almusallam, Maslehuddin, Abdul-Waris, & Khan, 1998). A continuación se definen los diferentes tipos de contracción que se dan tanto a edades tempranas como tardías. Contracción Térmica: Este tipo de contracción se refiere a los cambios de volumen que están relacionados con los cambios de temperatura en la mezcla de concreto producto de las reacciones que se presentan en las diferentes edades del concreto; existe expansión del concreto cuando la temperatura aumenta y retracción cuando baja la temperatura, por tanto si los cambios son demasiado bruscos o existen gradientes en secciones transversales dichos cambios son más nocivos. (Berke & Dallaire, 1994) Durante las primeras horas el concreto esta en un constante aumento de la temperatura debido a la hidratación del cemento, en un proceso adiabático en donde la temperatura 6
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno oscila entre 5 y 8 grados de temperatura por cada 45 Kg de cemento. Según lo anterior es claro que un mortero aumentara mucho más su temperatura en comparación con un concreto dado que tiene más contenido de cemento. Así pues durante las primeras 12 horas habrá un aumento de la temperatura, pasada esta etapa iniciará el posterior enfriamiento y la disminución del volumen de la mezcla. Mayormente el aumento de volumen y posterior disminución del mismo se hará de manera elástica, sin embargo si alguna parte de la mezcla no se comporta de esta manera existirá lo que hemos venido tratando como contracción a edad temprana. Los gradientes de temperatura del ambiente y la mezcla , producirán esfuerzos en la mezcla y a la postre fisuras producto de la contracción, dado que no se puede conseguir un equilibrio entre ambas temperaturas de manera rápida especialmente en elementos muy robustos. Contracción por Carbonatación: La contracción por carbonatación se presenta cuando la pasta del concreto que se esta endureciendo y entra en contacto con el dióxido de carbono presente en el aire (Véase Ecuación 1.) ocasionando una reducción en el pH del concreto que a la postre genera fisuras. La reducción del pH además de provocar fisuras puede ocasionas en el concreto otros procesos de deterioro, como la corrosión del acero de refuerzo que genera expansión en el mismo y agrietamiento en los elementos de concreto. !! !"! + !"(!")! → !"!"! + 2!! ! Ecuación 1. Reacción de carbonatación
La cantidad de carbonatación del concreto depende de la densidad y calidad del mismo, pero por lo general se limita a 2cm de profundidad sobre la superficie expuesta. Su influencia en los elementos esta sujeta a la edad del concreto y al medio ambiente al que esta expuesto el elemento. Dado que la carbonatación es un proceso que es nocivo para el concreto después de grandes periodos de tiempo, se considera un problema de durabilidad que toma muchos años en donde la medidas que se toman, lo retrasaran más no evitaran su aparición. Contracción por Secado: está relacionada con el cambio en el volumen del concreto producto de la perdida de agua. Primeramente el agua de la mezcla sube a la superficie como agua de exudación, dado que las partículas más pesadas se asientan. En el proceso de endurecimiento de la mezcla, el agua de la superficie se evapora y la mezcla de concreto continua secándose aun cuando haya exceso de agua, la misma será absorbida desde el
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno interior de la mezcla. Por el proceso anteriormente descrito, es común encontrar la aparición de fisuras en los elementos. Este fenómeno se produce cuando los poros internos de la mezcla una vez ocupados por el exceso de agua van siendo llenados a causa de los procesos de hidratación del cemento dentro de la mezcla. Es claro que entre menor densidad de poros vacíos exista en la mezcla, mayor será la durabilidad del concreto, efecto dominado por la humedad y el agua de exudación. Durante el secado del concreto la tasa de evaporación de la mezcla puede superar a la cantidad de agua que sube a la superficie para bajar y que es usada para controlar la temperatura del concreto durante el endurecimiento, dado que no hay como controlar dichas temperaturas se presenta el fenómeno de la contracción por secado. Por lo tanto la contracción por secado depende de la cantidad de agua perdida y la tasa de evaporación. Si el agua de sube a la superficie supera al agua evaporada esto hará que el agua de curado actué como una capa protectora, por lo tanto no existirá contracción por secado así pues se evitará la presión en los capilares para evitar las tensiones que producen las fracturas. La contracción por secado se presenta en el tiempo en los diferentes estados de la mezcla, durante el primer día después del mezclado, colocación del concreto y endurecimiento de la mezcla. Completado el estado de endurecimiento (pasadas 24h) la contracción del concreto puede ser medida usando las practicas adecuadas y normalizadas para tales fines; durante el primer día es necesario definir cual de ellos es el más adecuado para realizar la medición. Durante el desarrollo de este tipo de contracción se ha demostrado que los materiales así como la dosificación de los mismos dentro de la mezcla son secundarios, más bien toman un papel preponderante en el desarrollo de otro tipo de procesos de contracción, por tanto al ser un fenómeno asociado a la tasa de evaporación son las condiciones ambientales las que tienen mayor influencia, pues alteran el sangrado (periodo en el que se presenta) aumentando de esta manera el lapso de fisuración (Holt & Leivo, 2003). Contracción Autógena: está definida como el cambio de volumen macroscópico que se produce sin transmisión de humedad con el ambiente que rodea a la mezcla en cuestión. Es un proceso asociado al agrietamiento por concepto de las reacciones químicas producto de la hidratación del cemento, se presenta una reducción del volumen interno al tiempo que la contracción autógena es un cambio en el volumen externo, por tanto es posible medir este fenómeno como un cambio lineal del elemento de concreto. En principio se estudio este fenómeno y se encontró que era principalmente generado por relaciones agua/cemento bajas que hacían más propensa a la mezcla al desarrollo de esta clase de contracción. Dado que con el pasar de los años y la inclusión de componentes adicionales a la mezcla, han 8
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno hecho que se manejen relaciones agua/cemento aun más bajas en búsqueda de mayores resistencias, hemos visto como este fenómeno se ha hecho más propenso a aparecer. Anteriormente se asociaba a al contracción autógena como un fenómeno independiente dominado principalmente por lo cambios de volumen asociados a la hidratación del cemento y por lo tanto a las relaciones agua cemento, sin embargo en los concretos modernos este fenómeno se ha agudizado puesto que los cambios de volumen térmicos asociados a los fenómenos normales del concreto están sucediendo paralelamente con los de la contracción autógena, causando un alta tasa de fisuración en elementos con una esbeltez considerable (Chu, Kwon, Nasir Amin, & Kim, 2012). A largo plazo generadas por este fenómeno se han podido apreciar deformaciones luego de un día, lo anterior debido a la auto desecación es decir la contracción autógena a largo plazo, por tanto la misma como vimos anteriormente esta ligada la relación agua cemento de la mezcla especialmente cuando la misma es menor a 0.42 (Holt & Leivo, 2003). Dado que hablamos de contracción autógena a largo plazo, en el corto plazo las reacciones generadas por la hidratación de las partículas de cemento y los demás componentes de la mezcla (agregados) pueden generar redes de poros más finos, que aumentan la curvatura y esfuerzos de compresión en los meniscos bajo la superficie de la mezcla traduciéndose en fisuras, sin embargo la aparición de las mismas puede ser controlada mediante agregados que mitiguen el escenario anteriormente mencionado reduciendo los espacios vacíos. El uso adecuado de técnicas de curado reducirá sustancialmente la aparición de esta clase de fenómenos sin embargo no los evitara. Contracción Plástica: Este fenómeno se presenta durante las primeras horas posteriores a la colocación del concreto en el elemento que se va a elaborar y antes de que el mismo obtenga una resistencia significativa, aparecen fisuras en la superficie del elemento que hacen que el acabado del mismo sea poco estético; además de que estas ultimas podrían dar lugar a grietas más grandes asociadas a la contracción por secado (Naaman, Wongtanakitchaoren, & Hauser, 2005). Concretos retardados son más propensos a presentar grietas por contracción plástica dado que la mezcla permanece más tiempo en estado plástico (Cement Concrete and Aggregates Australia, 2005). Al igual que con la contracción autógena la contracción plástica es el resultado de un desbalance en la taza de evaporación de la mezcla de concreto, dado que la cantidad de agua que es evaporada no es compensada y suficiente para poder reducir el aumento en la temperatura de la mezcla cuando se esta endureciendo (Naaman, Wongtanakitchaoren, & Hauser, 2005). El fenómeno anteriormente mencionado genera presiones capilares negativas en las mezcla que se traducen en meniscos en la superficie de la mezcla y por consiguiente en fisuras. La tasa de evaporación en las mezclas de concreto esta influenciada por cuatro importantes factores: la temperatura del aire, la temperatura del concreto, la humedad relativa y la velocidad del viento (ACI Committee 308, 2001; ACI Commitee 305, 2000). La fuerza necesaria para la evaporación del agua en la superficie de el concreto “es la diferencia de 9
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno presión entre el vapor de agua en la superficie y el vapor de agua en el aire por encima de esa superficie” cuando dicha diferencia de presión aumenta, en igual condición aumenta la evaporación en la mezcla de concreto. Con objeto de prevenir la aparición de fisuras por contracción se ha demostrado la efectividad de hacer un proceso de curado extendido previendo la pérdida excesiva de agua en la mezcla (Nemkumar & Gupta, 2006). Sin embargo en algunas condiciones es imposible poder garantizar este curado extendido por lo que es necesario adoptar medidas más amplias a fin de evitar la aparición de fisuras producto de la contracción. Tales medidas podrían incluir el control de la temperatura, las velocidades del viento y el diseño de mezclas que permitan controlar el sangrado de la mezcla o el uso de aditivos que reduzcan el agrietamiento. Se ha demostrado mediante condiciones simuladas en el laboratorio que es posible estimar la cantidad de agua que pierde la mezcla dependiendo de las condiciones ambientales como ya se ha mencionado. Uno de estos métodos para evaluar la cantidad de evaporación en la mezcla es el nomograma Figura 3 insertado en 1992 en el documento de la ACI Manual of Concrete Practice en la sección denominada Hot Weather Concreting (ACI Commitee 305, 2000), orientado a ciertas instituciones relacionadas con la producción de concreto y que esta basado en la ecuación de Menzel (Uno, 1998).
Figura 3. Nomograma, obtención de tasa de evaporación (ACI-305,2000)
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Dado que este método fue ampliamente aceptado durante varias décadas, existió la necesidad de revalidar el origen del mismo y generar una simplificación para realizar el calculo de la taza de evaporación en una mezcla de concreto de tal manera que no fuera necesario el uso del nomograma, sin excluir este ultimo; en el año de 1995 mediante la obtención del origen de la fórmula de Menzel y las constantes que la rigen se obtuvieron expresiones matemáticas según fuera el sistema de unidades que usara que permiten conocer el valor de la evaporación para una mezcla de concreto y por consiguiente la aparición de fisuras por contracción plástica, para nuestro caso y con unidades del Sistema Internacional, dicha formula es la siguiente Ecuación 2.: ! = 0,131(!!" − ! ∗ !!" )(0,253 + 0,06!) Ecuación 2. Calculo de tasa de evaporación en una mezcla de concreto
En donde: E = Tasa de Evaporación, (Kg/m2/hr) Tc = Temperatura de la Mezcla de Concreto (ºC) Ta = Temperatura del Aire (ºC) r = (Humedad Relativa)/100, y V = Velocidad del Viento (Kmh) Usando esta última junto con el nomograma como opción de verificación es posible obtener la tasa de evaporación de una mezcla de concreto en condiciones determinadas, sin embargo se deben tener en cuenta que en condiciones ambientales las mismas son altamente variables por tanto se debería hacer un promedio para obtener un estimado cercano al real. Todo lo anterior con objeto de evitar las condiciones desfavorables que dan lugar a la contracción plástica. Aunque el cálculo de la tasa de evaporación y las medidas preventivas son ampliamente aceptadas las mismas generan sobre costos en los proyectos dada la cantidad de elementos que se deben tener adicionales en el sitio de colocación y personal necesario para realizar estas tareas en la obra. Para responder a esta necesidad se ha demostrado que la inclusión de fibras en la mezcla uniformemente distribuidas como una matriz ayudan a controlar la aparición de fisuras en la superficie del elemento de concreto, para estos propósitos en la actualidad existen variedad de fibras en el mercado y según sea su objeto varían en precio y cualidades, sin embargo las más ampliamente aceptadas en la actualidad son las fibras de polipropileno. Según sea el caso las fibras podrían considerarse según su alto o bajo módulo de elasticidad para la aplicación en cada uno de los casos, aunque es claro que en estado fresco mitigaran
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno la contracción plástica como en estado endurecido aumentaran la resistencia del concreto a la tenacidad y el impacto (Mendoza, Aire, & Davila, 2011). La clasificación de las fibras esta dada según su material y el tipo de mezcla que se genera luego de ser adicionadas, durabilidad y desempeño son evaluadas por la susceptibilidad de las fibras al daño físico durante la mezcla y colocación así como por las reacciones químicas que se generan entre la mezcla y las fibras (ASTM, 2012). Por lo general su volumen dentro de la mezcla varia entre el 0.1%-10%, sin embargo comercialmente la adición de las mismas se hace en porcentajes menores al 2% dado que a mayor cantidad presente en la mezcla se hará necesario el uso de técnicas, equipos y aditivos dada la manejabilidad inversamente proporcional a la cantidad de fibras en la mezcla. Se puede tipificar a los concretos adicionados de la siguiente manera: Tipo 1: Concreto Reforzado con Fibras Metálicas: Mezclas de concreto que contienen una matriz de fibras en acero inoxidable, aleaciones de acero o cualquier tipo de acero en base de carbono. Esta clase de fibras son propensas a la corrosión al entrar en contacto con el agua de mezclado y deben ser almacenadas en lugares donde la humedad se mantenga al mínimo. Tipo 2: Concreto Reforzado con Fibras de Vidrio: Son aquellas mezclas que contienen una matriz de fibras de vidrio, las cuales son resistentes a las reacciones alcalinas que se presentan en la mezcla de concreto. Tipo 3: Concreto Reforzado con Fibras Sintéticas: Mezcla en cuyo interior se encuentra inmersa una matriz de fibras sintéticas (Polipropileno, Polietileno, Nylon) o cualquier clase material compuesto por enlaces de carbono, que sean resistentes a las reacciones álcali presentes en la mezcla de concreto y demás agentes a los que puedan ser expuestas durante la vida útil del elemento de concreto. Tipo 4: Concreto Reforzado con Fibras Naturales: Mezcla en cuyo interior se encuentra dispersa un matriz de fibras naturales generalmente compuesta de celulosa, que son resistentes a las reacciones presentadas en el interior de la mezcla así como a los elementos nocivos en el ambiente donde permanecerá el elemento de concreto. Según sea el propósito de uso del concreto al cual se la vaya a hacer la adición, se debe seguir el criterio de selección recomendado por la ASTM C-116-12 en su documento en el que se menciona cuales deben ser la características, condiciones y criterios para hacer una adecuada selección de las fibras y del concreto que se va a utilizar para ciertos propósitos.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Además de lo que ya se ha mencionado según sea el tipo de mezcla y fibras, el procedimiento de mezclado tendrá consideraciones especiales de acuerdo a los resultados finales que se desean obtener de la mezcla y las características de cada uno de los componentes de la misma, en especial de la fibras, aspectos como el momento de la colocación ya sea en estado húmedo o seco de la mezcla y los tiempos, tendrán influencia en el desempeño de las fibras en la mezcla como conjunto. Para la evaluación de cada uno de los tipos de contracción se han elaborado metodologías estandarizadas que permiten conocer la influencia de cada uno de los mismos en la mezcla de concreto, sin embargo para el alcance de esta investigación abordaremos el más representativo referido a la contracción plástica. Durante las ultimas dos décadas se han puesto en práctica diferentes técnicas que estudian la influencia de la contracción plástica en la mezcla de concreto, en muchas de ellas se han enfocado en parámetros tales como la descripción de la fisura en su ancho, área, y longitud como en la evaporación y el sangrado presente en la mezcla en estado plástico (Chengqing, 2003). Sin embargo desde el momento en que se comenzó a ver a las fibras como la solución a este problema, muchos de estos métodos han tenidos sutiles variaciones con objeto de ser aplicables a concretos adicionados con fibras. Cabe recordar que existen variedad de métodos y que todos son útiles en el estudio y cuantificación del efecto de la contracción plástica en el concreto, sin embargo no es acertado recomendar uno en especial dado que todos proveen datos fehacientes del fenómeno sea cual sea su objetivo de estudio. (Berke & Dallaire, 1994) propusieron la elaboración de una losa de concreto restringida en todas las direcciones con el objeto de poder evaluar la eficiencia de bajos volúmenes de fibras en una mezcla de concreto como alternativa para mitigar el efecto de la contracción plástica. Durante los años subsecuentes a esta propuesta se hicieron múltiples pruebas de esta metodología y no fue si no hasta el año 2006 que la ASTM lo aprobó y estandarizo como método con el código: ASTM C-1579-12 “Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete (Usign a Steel Form Insert)”. Dicho espécimen de concreto estaría restringido en un molde con las características presentadas en la figura Figura 4. Aunque dentro del mismo no existe una recomendación de los materiales con los que se debe elaborar el molde, además de los resaltos es prioritario que el mismo sea elaborado en un material que sea impermeable y que además resista los esfuerzos producto de la elaboración del espécimen como del peso mismo de la mezcla dentro de él. Ya estandarizado el método para cuantificar el efecto de las fibras en la contracción plástica del concreto, es de entender que el mismo solo permite la medición de la influencia de las fibras en la etapa tardía del fenómeno, sin embargo al hacer el seguimiento adecuado puede comprenderse el fenómeno en las primeras horas de realización de la prueba en la mezcla de concreto dada la metodología para la toma de datos del ya mencionado documento. 13
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Figura 4. Molde para ensayo ASTM C-1579-12
El objeto de tener un espécimen con las restricciones mostradas en la Figura 4. es que se genere la suficiente restricción en la base de la losa de modo que a través del elevador puesto en la base y con el cual se reduce el espesor de la misma se genere un patrón de falla que atraviese el espécimen en toda la anchura de la muestra. Dada la geometría del molde es de entender que siempre la falla se presentara en el elevador central en el cual existe el menor espesor posible en el espécimen, por tanto es poco común encontrar losas en esta clase de ensayos en donde se produzca la fisura a través de los tres elevadores presentes en el molde. El método anteriormente mencionado en el que se incluyen las características del molde mostrado en la Figura 4. corresponden al método más usado para la cuantificación de la contracción plástica en el concreto a largo plazo, dado que se ha mostrado que el fenómeno se presenta en dos etapas, contracción temprana y tardía cabe mencionar que el mismo organismo que ha estandarizado el método para el fenómeno tardío ha también solucionado la cuantificación del fenómeno en la edad temprana, para tal fin el documento de la ASTM C-827-10, contiene los parámetros y metodología adecuada para la medición de la contracción plástica en la etapa temprana del fenómeno sin embargo y a comparación del método expuesto más arriba, el ASTM C-827-10 contempla la medición del fenómeno solamente de manera vertical, es decir no estudia las características de las fisuras de manera horizontal como lo hace el ASTM C-1579-12, por tanto el primero genera una limitante para el estudio del fenómeno en si. 14
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
4 Estado del Arte El fenómeno de la contracción ha sido estudiado por diferentes autores quienes en cada una de sus investigaciones han aportado nuevos alcances para entender la fenomenología de la contracción plástica y como mitigarla. Cada uno a abordado el problema desde la perspectiva que a su modo tiene la mayor influencia, se han variado los componentes de la mezcla, las adiciones, las proporciones de los materiales, las cualidades de las adiciones entre otras. Los parámetros que están estrechamente relacionados a la contracción del concreto son sin lugar a dudas las condiciones ambientales, dado que las mismas al interactuar con la mezcla ejercen influencia en la cantidad de agua en la mezcla tanto evaporada como exudada y la relación agua cemento regulando los cambios de temperatura de la mezcla en la etapa de endurecimiento y generación de resistencias en las primeras horas. El efecto de las proporciones en la mezcla, por consiguiente la relación agua cemento y su influencia en la contracción plástica del concreto en ambientes de altas temperaturas en donde la evaporación y agua disponible en la mezcla pueden verse afectadas han sido estudiadas, encontrándose que mediante la medición de la cantidad del agua de exudación de la mezcla, la evaporación y área afectada por las grietas es posible cuantificar la afectación ejercida por la contracción plástica en una mezcla de concreto. Cuando se mantiene la cantidad de cemento constante y se varia la relación de la misma con el agua, es decir se le proporciona más o menos liquido para su hidratación, se ha encontrado que la cantidad de exudación en la mezcla se mantiene constante (Almusallam, Maslehuddin, Abdul-Waris, & Khan, 1998) demostrando así que la cantidad de grietas generadas por la contracción plástica disminuye al tener la suficiente cantidad de agua en la mezcla que cubra las solicitaciones del cambio de temperatura de la mezcla. Aunque la evaporación en la mezcla crezca conforme la cantidad de cemento sea mayor, la medida de la evaporación decrece cuando las relaciones agua cemento son lo suficientemente altas como para poder mitigar las temperaturas de la mezcla. El aumento en el porcentaje de agua evaporada relacionada con el aumento del cemento puede ser atribuida a: 1. El aumento en la presión capilar debido al aumento del volumen en la pasta. 2. Una reducción en el volumen de los agregados. Al analizar ambos escenarios es probable que el primero sea el más claramente definido, dado que es poco probable que al estar embebidos dentro de la pasta de cemento generando una matriz, el agregado cambie de tamaño en una primera interpretación, sin embargo, el primer escenario hace referencia a como se facilita la transferencia de agua de exudación a la superficie, mientras que el segundo se refiere a la reducción de los canales por el 15
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno empaquetamiento de los agregados en la pasta, por tanto el agua queda atrapada en la capa inferior de la mezcla imposibilitando su subida a la superficie como agua de exudación. Por tanto mayores cantidades de cemento junto con una relación agua cemento baja conduce a un mayor agrietamiento por contracción plástica, dado que la cantidad de agua de exudación no es proporcional a la cantidad y velocidad de agua evaporada en la mezcla de concreto generando una tasa irregular de intercambios ambientales que da lugar a una mayor influencia de la contracción plástica en la mezcla de concreto. Habiendo encontrado la relación entre la evaporación y el agua de exudación con el fenómeno de la contracción plástica, se encontró un intervalo de tiempo en el que se presentan las primeras fisuras asociadas a este fenómeno, por tanto en concretos con relaciones A/C entre 0,40 y 0,65 se encontró que el tiempo mínimo requerido para la aparición de fisuras esta entre las 2 y 4 horas, por lo que mezclas más pesadas y menos manejables se fisuran con mayor facilidad y rapidez que mezclas que se mantienen en el estado plástico más tiempo, sin embargo se debe aclarar que este retraso no esta relacionado en ningún momento con la adición de agentes retardantes o plastificantes. Junto lo anterior se encuentra que la aparición de fisuras en las mezcla de concreto comienza cuando la tasa de evaporación de la mezcla varia en el rango de 0,2-0,7 Kg m2 h, contradiciendo el valor de 1 Kg m2 h sugerido por la ACI-305R-99.
Agua de Exudación (Kg/m2 )
Para definir lo anterior se prepararon concretos variando la relación A/C de la mezcla en ambientes controlados, los especímenes de evaluación son losas de concreto con una alta esbeltez como las losas de pavimento rígido o entrepisos de edificaciones. Los mismos son puestos bajo la acción de velocidades de viento de 15Km/h, humedad relativa del 50% y 45ºC de temperatura.
Contenido de Cemento 350Kg/m3
Tiempo (Min)
Figura 5. Grafica influencia de A/C y cemento en exudación del concreto (Almusallam, Maslehuddin, AbdulWaris, & Khan, 1998)
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Como se aprecia en la Figura 5. la relación entre el contenido de cemento y las relaciones A/C con respecto a la cantidad de agua disponible para evaporar esta estrechamente ligada, por tanto en ambientes cálidos es importante manejar relaciones A/C bajas de modo que la cantidad de agua que se evapora sea menor de así se controla directamente el efecto de la contracción plástica sobre la mezcla de concreto, dado que existe mayor cantidad da agua dentro de la mezcla la cual servirá para responder a las tensiones provocadas por el fenómeno analizado, se confirma de esta manera que el factor determinante en el efecto de la contracción plástica es el desbalance que se presenta entre la cantidad de agua que se evapora y la cantidad de agua disponible o de exudación en la mezcla. Aunque a este concreto no se le hace ningún tipo de adición para mejorar su desempeño es claro que al no tener la cantidad de agua adecuada en las primeras etapas del desarrollo de la resistencia de la mezcla aun cuando la misma no presente un deterioro físico, sus resistencias a los 21 días en caso de un pavimento rígido, no arrojara los datos esperados. Como la manejabilidad de la mezcla varía conforme se le aumenta o disminuye la cantidad de cemento se encontró que cuando la mezcla se hace más pesada, la misma es más propensa a fisurarse en comparación con mezclas más ligeras pues el agua disponible para la manejabilidad esta únicamente disponible para la hidratación de las altas cantidades de cemento presentes en la mezcla de concreto. Las mezclas más densas se fisuran más rápidamente comparadas con las mezclas más plásticas. Como hemos visto las cantidades de cemento en la mezcla tienen una fuerte influencia en el impacto de la contracción plástica y en el acabado final. Por tanto para evitar la aparición de fisuras es necesario incorporar a la mezcla elementos diferentes a los agregados que permitan mitigar el impacto de las fisuras así como contribuir con el comportamiento mecánico de la mezcla. Una de las soluciones más usadas es la incorporación de fibras dentro de la mezcla de concreto, estas pueden ser de diferentes materiales, longitud y cualidades por tanto varían con los parámetros ya mencionados. Estudios de mezclas de mortero con adición de fibras de diferentes materiales fueron desarrollados para encontrar cuales de ellas son más eficientes en la mitigación de los efectos relacionados a la contracción plástica a las 24 horas luego de exponer las mezclas a diferentes condiciones ambientales (Boghossian & Wegner, 2008). Especímenes de mortero son fundidos sobre superficies que generan o no restricción para establecer escenarios para la aparición de fisuras, estas ultimas son medidas al estabilizarse la mezcla. Las fibras incluidas en la mezcla de mortero varían en longitud de 10-38mm, para generar aun más condiciones para la aparición de fisuras y altas temperaturas en la mezcla son adicionados humos de sílice, lo que junto con las condiciones ambientales que rodean a las muestras producirá contracción plástica, pues todo lo mencionado hace propenso este fenómeno. Posterior a la elaboración de los especímenes pasadas 4 horas cuando la mezcla ya se ha estabilizado, se hacen visibles las primeras fisuras en la superficie de los 17
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno especímenes, estas son únicamente útiles para conocer el tiempo necesario para la aparición de fisuras en la mezcla y solo se deben tener en cuanta luego de transcurridas 24 horas posteriores a la elaboración de los especímenes.
Área Fisurada (% M.Control)
Pasado este tiempo se encuentra que la inclusión de fibras de las longitudes mencionadas es altamente efectivo para la mitigación de la contracción plástica, pues se reduce el área de fisura y el ancho promedio de esta.
Long (mm) Tipo
Lino
M.P
F.P
Vidrio
Figura 6. Relación de áreas al adicionar fibras (Boghossian & Wegner, 2008)
Como se puede observar en la Figura 6. se adicionan a la mezclas en diferentes vaciados fibras de lino, M.P es decir polipropileno monofilamento por sus siglas en inglés, F.P polipropileno fibrilado y vidrio. Como podemos ver la menor efectividad la presentan las fibras de polipropileno mono fibriladas, con una longitud de 19 mm. Respecto a las demás fibras es poco eficiente pues el área de fisura reducida en comparación con los otros morteros adicionados es casi nula, se presenta alrededor del 50% de área fisurada con respecto a los otros especímenes. Los mejores desempeños se obtienen con fibras de mayor longitud y que por sus características tengan mejor adherencia con la pasta de cemento. Así como se varia la longitud de las fibras en cada una de las mezclas también se varia el porcentaje, por tanto a mayor volumen de fibras en la mezcla menor cantidad de área fisurada, sin embargo volúmenes tan altos no son recomendables pues disminuyen la manejabilidad de la mezcla y la hacen más seca y por tanto más propensa a la aparición de fisuras por causa de la contracción plástica, el control de estos parámetros y la adición de productos que mejoren la calidad de la mezcla son contemplados más no son usados pues no están en el alcance de este proyecto. Se encontró que algunas de estas fibras son más eficientes también en cuanto a volumen se requiere de las mismas para controlar la contracción plástica, por cuando con menos volumen se alcanza la efectividad esperada en comparación con otras fibras cuyos volúmenes son muy alto para poder alcanzar la reducción deseada en el área de fisuración del espécimen, lo anterior es apreciable por medio de la Figura 7. 18
Área Fisurada (mm2)
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Lino M.P. F.P. Vidrio
% de Fibras
Figura 7. Reducción de área por inclusión de fibras (Boghossian & Wegner, 2008)
Como se ha visto las adiciones de fibras en los concretos son altamente competentes en la mitigación de los problemas asociados a la contracción del concreto, por esta razón (Choi, Park, & Jung, 2011), realizaron pruebas en las que no solo se evidencia la eficiencia de las fibras y las condiciones más favorables para la mitigación de estos fenómenos, abordaron la posibilidad de que a las mezclas de concreto no solo se les agregue un tipo de fibra, sino que se busquen combinaciones mediante las cuales se logre mitigar más eficientemente los efectos nocivos de la contracción, no solamente plástica si no de las otras tipologías como lo es la contracción por secado. Elaborando un programa de mezclado se variaron las clases de fibras incluidas en una misma mezcla de concreto, al existir variedad de combinaciones evidentemente la cuantía de cada uno de los tipos de fibras también era variable, por tanto elaboraron 4 tipos de mezcla variando los parámetros ya mencionados, encontraron comparativamente como en cualquiera de los casos las mezclas con variedades diferentes de fibras son más efectivas en comparación con mezclas sin ningún tipo de adición o con solamente un tipo, los resultados se compararon con cada uno de los tipos de contracción posibles en la mezcla, en todos los casos las combinaciones fueron más efectivas. Los resultados correspondientes a la influencia de las mezclas de fibras en el concreto se muestran en la Figura 8.
Figura 8. Influencia de diferentes combinaciones de fibras en un concreto (Choi, Park, & Jung, 2011)
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno En la Figura 8. las convenciones de la grafica corresponden de la siguiente manera: H: mezcla hibrida, N: fibras de nylon, PV: fibras de polivinilo, ST: fibras de acero, PP: fibras de polipropileno. Los número asociados a cada clasificación corresponden al porcentaje de inclusión puesto en cada una de las mezclas. Cuando de contracción por secado se habla al igual que con la contracción plástica, las condiciones ambientales toman un papel fundamental para aumentar la probabilidad de que estos fenómenos se presenten de manera agresiva en los especímenes de concreto, la alteración del periodo de exudación de la mezcla es una de las consecuencias de la contracción por secado (Holt & Leivo, 2003), aumentando así el lapso en la mezcla para la aparición de fisuras, por lo que lo expuesto de el Figura 8 toma relevancia si lo miramos desde esta perspectiva, al presentarse las fisuras por contracción plástica estas darán paso a fisuras más grandes por contracción por secado, por lo tanto son dos fenómenos independientes pero que cohabitan bajo las mismas condiciones desfavorables para su aparición. Ya comprobada la influencia de cualesquiera que sean las fibras de manera individual o como combinación de ellas en la mitigación de los fenómenos asociados a la contracción, el aporte mecánico que las mismas generan a las mezclas elaboradas son también parte importante para el análisis de su operatividad y naturalmente el costo beneficio de las mismas. Las fibras como cualquier material dependiendo de su composición cambian sus propiedades mecánicas y por tanto influyen de manera diferente en los especímenes en donde se encuentren embebidas, por tal razón se han encontrado importantes datos de cómo fibras con variables módulos de elasticidad pueden tener influencia dependiendo del momento en que se sean incluidas en la mezcla o la edad en que se encuentre esta ultima (Mendoza, Aire, & Davila, 2011); se analizan 8 diferentes tipos de mezclas de concreto para determinar la influencia de fibras cortas de polipropileno a 7 y 28 días, en estado fresco de la mezcla se determinar algunas de sus características mediante la elaboración de pruebas de revenimiento, contenido de aire, masa unitaria y naturalmente el agrietamiento por contracción plástica. La presencia de fibras dentro de la mezcla de concreto en estado plástico controla la contracción plástica y en estado endurecido mejora la capacidad de los elementos elaborados con ellas para resistir cargas por impacto así como aumentado la tenacidad de la mezcla y a largo plazo ahorrando costos de mantenimiento si es el caso. Algunos de los estudios frente a las bondades de las fibras en los aspectos mecánicos han arrojado datos contradictorios respecto a la influencia de las fibras en los concretos adicionados con ellas (Alhozaimy, Soroushian, & Mirza, 1996). Otros indicaban que las fibras tienen efectos nocivos sobre la resistencia a la compresión sin embargo aumentaban ligeramente los resultados de la resistencia a la flexión de los especímenes elaborados con mezclas con cuantías altas de fibras (Hughes & Fattuhi, 1976). 20
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Estudios indicaban que la ganancia que experimentaban estos especímenes con inclusión de fibras en la resistencia a la compresión como en la tenacidad estaba por el orden el 25% (Malisch, 1986) con una dosificación de fibras de polipropileno de 0,5%. Para la elaboración de esta investigación se optó por la elaboración de 4 mezclas con dosificaciones variables de fibras entre 0 – 5Kg/m3, a las cuales se le hicieron pruebas en estado endurecido con el fin de determinar la influencia de las fibras en las resistencias finales de los especímenes así como pruebas en el estado plástico para determinar otros parámetros necesarios para el alcance. Los concretos adicionados con fibras presentan un incremento en la resistencia a la flexión de del 12% en donde el tamaño máximo de los agregados era de 19mm, caso contrario se presentó cuando los concretos tenían, un tamaño máximo del agregado de 9,5mm, para estos concretos a pesar de tener fibras dentro de la composición de la mezcla, el comportamiento que mostro fue frágil reduciendo la resistencia a la flexión hasta en un 20%, estos datos se presentan a continuación en la Tabla 1.
Tabla 1. Resistencia a la flexión de concretos con fibras (Mendoza, Aire, & Davila, 2011)
No obstante a lo arrojado por los análisis anteriores en general los concretos sin ningún tipo de adición con agregados de 9,5mm de tamaño máximo tuvieron mejor respuesta ante las cargas a flexión en comparación con los concretos en donde el tamaño máximo del agregado era de 19mm, sin embargo si observamos la Tabla 1. vemos que la mezcla M5 alcanzo una resistencia más elevada de lo que se esperaba, las resistencias de los concretos siguientes a este resultado inferiores a las del concreto sin fibras. Sin embargo no se puede generalizar que las fibras tengan un efecto negativo en el comportamiento mecánico de la mezcla como ya lo habían anotado otros autores, como podeos observar este comportamiento esta ligado a varios factores, pues el solo tamaño máximo del agregado podría alterar la resistencia de la mezcla de concreto. 21
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno La respuesta del concreto adicionado con fibras ante cargas de impacto fue también positiva, la mezcla de concreto está en la capacidad de asumir mejor los esfuerzos generados por esta clase de cargas, especialmente cuando las inclusiones de las fibras son superiores a los 3 Kg/m3 de concreto. Los concretos elaborados con agregados cuyo tamaño máximo fue de 9,5mm mostraron tener una mayor capacidad de absorber los esfuerzos correspondientes a las cargas de impacto, los datos de los ensayos de impacto se muestra en la Tabla 2. en esta podemos ver el las conclusiones ya mencionadas.
Tabla 2. Resistencia al impacto de concretos adicionados con fibras (Mendoza, Aire, & Davila, 2011)
La tenacidad del concreto se mide como el área bajo la curva esfuerzo-deformación obtenida de los ensayos de flexión de vigas en los tercios de la luz, se encontró que los concretos con adición de fibras y aun cuando la cuantía de las mismas va creciendo, la tenacidad del concreto va aumentando, al igual que con las otros parámetros mecánicos el mejor comportamiento lo presento la mezcla de concreto cuyo tamaña máximo del agregado es de 9,5mm, los resultados correspondientes a la evaluación de este parámetro se presentan en la Tabla 3.
Tabla 3. Tenacidad de nezclas con adición de fibras (Mendoza, Aire, & Davila, 2011)
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Como podemos ver la inclusión de fibras dentro de la mezcla aporta positivamente en las características mecánicas de la misma, sin embargo esta sujeto a otros factores asociados a la mezcla, como lo son el tamaño máximo del agregado por tanto seria necesario identificar para cada caso cual seria la mejor combinación para sacar el mayor provecho a la inclusión de fibras dentro de la mezcla, esto claro sin elevar los costos de producción según la finalidad de la mezcla de concreto.
5 Metodología Para la elaboración de esta investigación fue necesario seguir una secuencia para así garantizar que los resultados últimos fueran óptimos y no estuvieran influenciados por factores que se pueden considerar ajenos al objetivo primario de la misma. Para tales fines se desarrollaron los pasos descritos a continuación y que generan una metodología confiable para el buen desarrollo de esta investigación.
5.1 Caracterización de los materiales:
Para la elaboración de los especímenes de concreto fueron empleados 4 diferentes tipos de materiales los cuales están listados a continuación y comprenden los elementos básicos para elaborar una mezcla de concreto convencional: • Gravas Gruesas • Gravas Finas • Arenas • Cemento Portland • Plastificante Según lo estipulado en la base de esta investigación, se realizaron los siguientes ensayos Tabla 4. Ensayos Material Granular ENSAYO NORMA Análisis Granulométrico de Agregados INV E-213 – 07 Gruesos y Finos Gravedad Específica y Absorción
INV E-222 - 07/INV E-223 - 07
Contenido Aproximado de Materia Orgánica en Arenas Usadas en la Preparación de Morteros o Concretos. Ensayos Cemento Peso Específico del Cemento
INV E-212 – 07
INV E-307 – 07
Tabla 4. Ensayos de Caracterización
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Todo lo anterior con objeto de cumplir los requisitos establecidos en la norma para el diseño de mezclas de concreto ACI-2111. El aditivo puesto en la mezcla es el Plastiment AD-20, puede ser usado como plastificante, reductor de agua o retardante según se desee y en la cantidad puesta en la mezcla, esta clase de aditivo posee también la capacidad de reducir la cantidad de cemento necesaria en la mezcla de concreto, se presenta como un liquido de color café oscuro de consistencia densa. Se debe adicionar disuelto en la ultima porción de agua de amasado de la mezcla o directamente a la mezcla ya preparada. En la Tabla 5. se presentan las datos técnicos del plastificante adicionado a la mezcla de concreto para mejorar sus características. Los datos aquí consignados son proporcionados por el fabricante. Propiedad Dosificación Color Densidad pH Viscosidad Cumple con la Norma
Resultados 0,3 al 0,6% peso del cemento Café oscuro 1,31 Kg/l ± 0,03Kg/l Mínimo 6 15 ± 5 segundos en copa Ford a 20ºC NTC -1299 y ASTM C-494
Tabla 5. Características del plastificante
5.2 Diseño de la Mezcla de Concreto Acto seguido de la obtención de las propiedades de los materiales mediante los ensayos que fueron mencionados en el punto anterior, se procede a realizar el diseño de la mezcla de acuerdo a la metodología propuesta en el documento ACI-211-021. Se realizaron las mezclas de prueba correspondientes para determinar si la mezcla en estado plástico tiene las características deseadas para realizar la investigación o si por lo contrario es necesario hacer algún tipo de ajuste. Aunque el documento ACI-211-02 es la guía más adecuada para la realización del diseño de una mezcla de concreto, fue necesario consultar otra bibliografía para entender más claramente las solicitaciones de dicho documento. El diseño de mezcla se desarrolló orientado no solamente a obtener las resistencias adecuadas sino también a hacer un concreto con tendencia a la fisuración en las condiciones ambientales que se sugieren anteriormente, dado que esta investigación esta encaminada a encontrar la mejor alternativa para solucionar las fisuras producidas por los procesos de contracción. El diseño de mezcla responde a la necesidad de estudiar el fenómeno de la fisuración generada por la 1
ACI-211: Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight and Mass Concrete.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno contracción, por tanto las proporciones de cada uno de los materiales busca que la mezcla bajo las condiciones ambientales controladas en la cámara superior del viento genere en el espécimen fuertes reacciones térmicas y que combinadas con el calor producto de las reacciones químicas en la pasta fisuren con mayor contundencia el espécimen de concreto. Los ajustes adicionales a la mezcla son la respuesta a la incorporación de las fibras dentro de la matriz de concreto, dado que en estado plástico la mezcla de concreto se hace mas pesada y menos manejable, la incorporación de un aditivo plastificante hace que estas propiedades recuperen su estado original. Aunque el diseño responda a la necesidad de estudiar el fenómeno de la fisuración por contracción, la influencia que tiene el comportamiento en estado plástico de la mezcla es conocido, pues mezclas mas pesadas son mas propensas a fisurarse, luego solamente con la dosificación de los materiales se obtienen los resultados deseables por tanto la incorporación del aditivo plastificante ataca dos inconvenientes en el desarrollo de la investigación, por un lado la manejabilidad de la mezcla en estado plástico como emular un concreto comercial en condiciones ambientales normales o para este caso las condiciones de la cámara superior del túnel de viento.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
5.3 Diseño y Fabricación del Túnel de Viento La fabricación del túnel de viento se realizó basándose en la norma estandarizada ASTM1579-12 2 , en la cual se dan las especificaciones del mismo. Este equipo debe tener condiciones ambientales controladas. La construcción del equipo tuvo en cuenta la estructura del equipo y los elementos eléctricos que debe contener. El control de las condiciones ambientales determina las condiciones de diseño tanto de la parte eléctrica como del aspectos geométricos del túnel, ya que este debe permitir la libre circulación y re circulación del aire de modo que se pueda garantizar que las condiciones dentro del mismo están exentas de variar influenciadas por las condiciones medio ambientales externas a la cámara. El equipo esta comprendido por dos cámaras a las que llamaremos superior e inferior y que están ilustradas en la Figura 9, en la primera de ellas se ubica la muestra en el molde de ensayo, dado que en esta parte es por donde se concentra el flujo de aire y adquiere la temperatura deseada al circular a través de la resistencia, allí mismo es posible hacer seguimiento del desarrollo de la prueba pues la tapa de acrílico permite observar de manera permanente el estado del espécimen. En la cámara inferior está ubicado el ventilador que provee el flujo de aire a través del equipo, es decir lo lleva a la cámara superior y de la misma manera lo recircula de modo que se conserven las condiciones ambientales durante la ejecución del ensayo.
Cámara Superior
Ventilador
Cámara Inferior Figura 9. Cámaras Superior e Inferior
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Figura 10. Fabricación Túnel de Viento
ASTM C-1579: Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Conocidas las dimensiones y las características principales de las cámaras se procede a la fabricación del equipo con un particular, a este se le suministra la información necesaria y por tanto es también el responsable del buen funcionamiento del equipo especialmente en la parte eléctrica dado que se le debe acondicionar un tablero de control en donde se pueda verificar y moderar las condiciones de la cámara Figura 10. Se asume entonces que el equipo cumplirá los requerimientos del documento referencia, sin embargo esto no es del todo cierto. Con objeto de comprobar el buen funcionamiento del equipo se hacen pruebas preliminares de calibración y verificación de las condiciones del túnel de viento en ambas cámaras, por tanto se hace evidente que hay deficiencias en el funcionamiento del mismo producto de factores de diseño y fabricación que no son tenidos en cuenta en el documento referencia y que son evidentes únicamente al hacer uso del equipo. Se revisan cada uno de los componentes a fin de encontrar cuales de ellos no cumplen las condiciones y por tanto tomar las medidas correctivas para que su desempeño dentro del equipo sea el deseado, pues actúan en conjunto por tanto la deficiencia de uno de ellos desestabiliza el trabajo de los otros. En primera medida se hace evidente que el equipo poseía una deficiencia en la circulación del aire derivado de la geometría misma de ambas cámaras, dado que el aire necesita un medio continuo para circular sin pérdidas por las aristas pronunciadas en el interior de las cámaras. Es así como el aire no fluía fácilmente y se generaban flujos turbulentos, por consiguiente pérdidas en la velocidad del viento que llegaba hasta la muestra. Al ser la cámara inferior cerrada totalmente sumada al cierre total del equipo para mantener las condiciones ambientales, no existía la cantidad de aire necesaria para que el ventilador la empujara como lo hace normalmente en un espacio abierto y en este caso a la cámara superior; de manera que la cantidad de aire que tomaba el ventilador se perdía en un medio difuso que no facilitaba su subida a la cámara superior generando corrientes inconstantes a través del espécimen por las razones ya expuestas en el párrafo anterior. Por tanto siendo la velocidad del viento uno de los parámetros que más influencia tienen en la tasa de evaporación de una mezcla de concreto era necesario explorar medidas que permitieran obtener la velocidad y cantidad de viento deseada para conservar las condiciones dentro de la cámara superior y en general en el equipo. Producto de las falencias ya mencionadas se exploraron y pusieron en práctica diferentes medidas para corregirlas de la manera más práctica y rápida posible y no interferir con la programación que ya se tenia elaborada para el desarrollo de la investigación. Sin embargo y como veremos más adelante, las mismas no tuvieron la efectividad esperada por tanto fue necesario repotenciar y rediseñar el equipo de modo que cumpliera con los parámetros mínimos para la realización de esta investigación. 27
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Se procedió en un primer momento a adecuar las condiciones de las cámaras mediante la adaptación de elementos ajenos a la estructura original del equipo. Haciendo uso de laminas plásticas se busco suavizar las aristas para evitar zonas de turbulencia en el flujo de aire, paralelamente a una de las tapas de la cámara inferior se le permitió el acceso de aire del exterior posibilitando que una mayor cantidad del mismo fuera tomada por el ventilador y llevada a la cámara superior. El ventilador ubicado en la cámara inferior del equipo es reorientado de tal manera que su inclinación sea la más adecuada para arrojar el aire a la cámara superior, al mismo tiempo que le es adaptado mediante laminas plásticas un ducto el cual evita la disipación y perdida de la corriente de aire que va a llegar al sitio en donde se ubican las muestras para el ensayo. Adicionalmente en la cámara superior un cuadro de tres ventiladores es adaptado de tal manera que el aire que proviene de la cámara inferior sea nuevamente impulsado con objeto de alcanzar la velocidad y volumen necesario que debe circular por el espécimen que esta siendo evaluado Figura 11.
Figura 11. Ventiladores adicionales
Realizadas las modificaciones ya mencionadas se procede a evaluar la eficiencia de las mismas. Se calibran los rangos medios de cada una de las condiciones dentro de la cámara superior del equipo, todo lo anterior con los instrumentos adecuados que permiten tomar de manera fehaciente cada una de las magnitudes necesarias para verificar el correcto funcionamiento del aparato y el impacto de las modificaciones realizadas. Dichas condiciones son: 28
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno • • • •
Velocidad del viento Temperatura del aire dentro de la cámara superior del aparato Humedad presente dentro de la cámara superior del aparato Evaporación en la cámara superior
Mediante la elaboración de una cuadricula extrapolada a tres niveles de altura en la cámara superior del equipo (baja, media y alta) se tomaron lecturas de la velocidad del viento con objeto de obtener un parámetro medio en cada una de las zonas por las que circula el aire y en donde va a estar ubicada la muestra Figura 12,Figura 13, se recorre la cámara superior desde la zona en donde se ubicaron los ventiladores adicionales hasta la puerta de acceso de las muestras registrando minuciosamente cada una de las lecturas en los sectores de la cuadricula.
Figura 12. Cuadricula para Calibración de Velocidad del Viento
De manera similar a como se midió la velocidad media del viento dentro de la cámara superior del túnel, se hace para encontrar el parámetro medio de la temperatura del aire. Dado que la puerta de acceso de la cámara superior permanecerá cerrada todo el tiempo este parámetro permanece constante dentro de la misma y por tanto se puede asumir que la temperatura obtenida en la parte central de la cuadricula es la temperatura media de la cámara.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Figura 13. Esquema de cuadricula, planta y tres dimensiones
Para la verificación de la humedad en la cámara superior y su variación durante la ejecución del ensayo, se elaboraron especímenes de concreto preliminares que fueron utilizados con el propósito de hacer un seguimiento a la variación de la evaporación en el tiempo. Los datos obtenidos de estos especímenes preliminares son comparados con la obtención de la taza de evaporación en la cámara superior por medio de ensayos en los que se expone al flujo de aire y a la temperatura un espejo de agua representativo en diferentes sectores de la cámara superior de modo que se pueda obtener un parámetro medio de la tasa de evaporación que genera el equipo en las condiciones deseadas en el ensayo. Teniendo los datos preliminares que ya se mencionaron se calcula teóricamente la tasa de evaporación promedio en la cámara superior del equipo usando la Ecuación 2. Calculo de tasa de evaporación en una mezcla de concreto asumiendo la temperatura de la mezcla de concreto en el momento de la elaboración del espécimen que se va a poner dentro del equipo (18ºC). Se pudo observar que aunque las modificaciones hechas al equipo habían tenido un importante efecto en el rendimiento del mismo, aún no se cumplían los requerimientos para que la ejecución del ensayo fuera adecuada, evidenciándose especialmente en la velocidad del viento, por tanto fue necesario comenzar un proceso de rediseño para poner a punto el equipo y poder cumplir con los requerimientos en esa materia. Para cumplir con las velocidades del viento especificadas en la guía ASTM C-1579-12 fue necesario en la cámara inferior la adaptación de un ducto que dirigiera todo el flujo de aire hacia la cámara superior, lo cual evitaba las pérdidas asociadas a la turbulencia provocada por las aristas definidas, dentro del mismo y dado que la garganta del ducto se va ampliando conforme se le da la curva para que suba a la cámara superior. Así mismo se adiciona un segundo ventilador más pequeño que contribuye a darle mayor impulso al viento hacia la cámara superior y mantiene la velocidad adquirida desde el ventilador de mayor capacidad. Cumpliendo el requerimiento de la recirculación del aire a la entrada de la cámara superior justo frente a la puerta de la misma, se abre una brecha que comunica
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno ambas cámaras de modo que el aire que llega a la cámara superior bajara a la inferior. Estas modificaciones pueden ser apreciadas en la Figura 14. Dado que las modificaciones cambian el área de circulación del aire dentro de la cámara superior, la cuadricula extrapolada mostrada en la Figura 13. deberá ajustarse de modo que las medidas sean acordes al área en el que va estar en exposición la muestra. Las lecturas de la velocidad del viento variaran no solo en área si no también en altura dado que el ducto de ventilación focaliza el flujo el aire directamente hacia el espécimen por tanto, se podría obviar la lectura al nivel 0 de la velocidad del viento, sin embargo seria importante tener la misma como referencia para tener un parámetro de verificación respecto a la recirculación del aire y la estabilidad de las condiciones ambientales en la cámara inferior del túnel.
Figura 14. Modificaciones túnel de viento
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
5.4 Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Para la evaluación del efecto en la contracción del concreto con fibras estructurales de polipropileno, se ha diseñado una guía metodológica con objeto de elaborar el ensayo evitando la disparidad en los procesos de fabricación de los especímenes de concreto como de ejecución del ensayo, la mencionada guía se presenta en el Anexo 1. Para determinar el efecto de las fibras estructurales de polipropileno en la contracción del concreto, se realizaron 5 tipos de mezclas de la siguiente forma: concreto Convencional (CONV), concreto con nylon incorporado (N), concreto con 3,2 Kg/m3 fibras de polipropileno (3,2), concreto con 2,8 Kg/m3 fibras de polipropileno (2,8), concreto con 2,4 Kg/m3 fibras de polipropileno (2,4) y concreto con 1,8 Kg/m3 fibras de polipropileno (1.8). El orden de las mismas obedece a la necesidad de comparar el efecto de cada uno de los tipos de fibras en la contracción del concreto y si las mismas están en capacidad de mitigar los efectos de este fenómeno. Se consideran como especímenes de control el concreto convencional y el concreto adicionado con fibras de nylon, el primero dada su incapacidad de mitigar el efecto de la contracción plástica y ser el más propenso a la aparición de fisuras en su superficie por acción del fenómeno que estudiamos, el segundo por que ha sido demostrada la efectividad de las fibras de nylon para mitigar las fisuras y demás comportamientos frágiles del concreto ante la acción de la contracción plástica. La cuantía de fibras estructurales de polipropileno obedece a la variación de mezclas con altas, medias y bajas cuantías de esta clase de fibras en el uso convencional de las mismas para proyectos con objetivos diferentes. Por lo general y dependiendo el propósito de la inclusión ya sea exclusivamente el control de la contracción plástica o permitir que la mezcla pueda absorber energía aun después de la fisura del mismo, se considera que cuantías de 1,8Kg/m3 son bajas y contribuirán solamente a la mitigación de la contracción plástica y los fenómenos asociados a ella. Cuantías por encima de este número como por ejemplo 2,2 y 2,4Kg/m3, además de contribuir a mitigar el efecto de la contracción plástica en el concreto, comenzaran a influir en el comportamiento mecánico de los especímenes elaborados con esta mezcla de concreto, lo cual quiere decir que el elemento tendrá la capacidad de seguir absorbiendo energía aun después de la fisura y no comprometerá su estabilidad. Finalmente una cuantía de 3,2Kg/m3 se considera alta en una mezcla de concreto, con esta dosificación el concreto además de mitigar los efectos nocivos de la contracción plástica tendrá una mejor respuesta ante las cargas que le sean impuestas y tendrá una mejor respuesta posterior a la fisura ante los esfuerzos que le sean impuestos. Las fibras estructurales de polipropileno pueden dosificarse de1,8-12Kg/m3 en cualquier mezcla de concreto que requiere mejorar su comportamiento ante la contracción plástica así como mejorar sus propiedades en un comportamiento post fisura. 32
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
6 Resultados y Análisis de Resultados Dado que fue necesario conocer las características y aptitud de los materiales para la mezcla de concreto a continuación abordaremos los resultados de cada uno de los ensayos realizados a los materiales en cuestión.
6.1 Caracterización de materiales Dado que la mezcla de concreto es el resultado de la unión de los áridos con la pasta de cemento, el conocer las características y propiedades de los agregados permite tener una idea de la calidad de los mismos. En la Tabla 7. y en la Figura 15. se presentan los resultados de las propiedades de los agregados usados en el estudio, los cuales fueron gravas finas y gruesas y arenas provenientes de una cantera ubicada en la sabana bogotana. 6.1.1
Curva de Gradación de los Agregados
Porcentaje*que*Pasa*(%)*
100! 80! 60!
Arena!
40!
Grava!Gruesa!
20!
Grava!Fina!
0! 10!
1!
0,1!
0,01!
Tamaño*de*Par5cula*(mm)*
Figura 15. Curvas granulométricas de agregados
6.1.2
Propiedades de los Agregados
Propiedad
Unidad
Grava fina
Arena
Norma
-
Grava Gruesa 2,32
Gravedad Especifica Bulk Gravedad Especifica Saturada Sup. Seca Gravedad Especifica Aparente % Absorción
2,18
2,48
INV E 222-07
-
2,40
2,25
2,50
-
2,52
2,35
2,54
%
3,45
3,39
0,91
INV E 223-07
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Contenido Materia Orgánica Tamaño Máximo Nominal Módulo Finura Resistencia Desgaste
de
Color
N/A
N/A
1
INV E 212-07
mm (pg)
25,4 (1)
19,05(3/4)
9,5(3/8)
INV E 213-07
de
-
7
5,9
2,8
al
%
17,5
19,4
N/A
INV E 213-07 INV E 238-07
Tabla 6. Características de los agregados
Teniendo los datos anteriormente mostrados y tomándolos como referencia hacemos el diseño de mezcla acorde con las solicitaciones necesarias para el desarrollo de la investigación, cumpliendo los parámetros citados en la norma ACI-211-02. Dado que las fibras tanto de polipropileno como de nylon hacen parte integral del diseño de la mezcla de concreto, a continuación en la Tabla 7. se aprecian los datos técnicos de cada uno de estos dos materiales, los datos aquí registrados no son experimentales y suministrados por el fabricante junto con el producto. Material Gravedad Especifica Longitud in(mm) Modulo Elasticidad GPa (Ksi) Resistencia Ácidos y Álcalis Absorción Color
Nylon 1,16 ¾” (19mm) N/A Excelente Despreciable Blanco
Polietileno/Polipropileno 0,92 2”(51mm) 9,5 (1380) Excelente Despreciable Blanco
Tabla 7. Propiedades de las fibras
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
6.2 Diseño de la Mezcla Para la elaboración de los especímenes necesarios de la presente investigación y teniendo en cuenta las características de los agregados, se diseño la mezcla para que cumpliera con los parámetros deseados. Siguiendo paso a paso lo estipulado en el documento ACI-211-02 se diseña la mezcla con las siguientes características: Asentamiento* Relación*A/C* Contenido*de* Aire* f'c*
22,5!cm! 0,58! 2!%! 21!MPa!
Tabla 8. Características del diseño
Como podemos ver en la Tabla 8. las características del diseño corresponden a un concreto convencional usado en la fabricación de elementos que no están expuestos a condiciones ambientales agresivas, por lo tanto puede considerarse como un concreto cuya aplicabilidad se presta para variados usos en obras civiles. Dado que existían áridos de tres tipos, clasificados como arena, grava gruesa y grava fina fue necesario hacer una mezcla de los mismos de modo que el empaquetamiento fuera el mejor posible para obtener las resistencias deseadas al igual que cumplir con los requerimientos de la ACI-211-02 en donde se definen los limites de la gradación dependiendo el tamaño máximo del agregado de acuerdo a la ASTM C-33-13, las proporciones de cada uno de los agregados se muestra en la Tabla 9. y en la Figura 16 se muestra la curva granulométrica de la combinación de agregados junto con los limites máximos y mínimos permisibles para el tamaño máximo encontrado en los materiales granulares, esta combinación junto con toda la mezcla esta elaborada usando el método de los volúmenes absolutos. Proporción*de*los*Agregados* Arena! 44!%! Grava!Gruesa! 31!%! Grava!Fina! 25!%! Total* 100*%* Tabla 9. Proporciones de la combinación
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Porcentaje*que*Pasa*(%)*
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno 100! 90! 80! 70! 60! 50! 40! 30! 20! 10! 0! 100!
Max! Min! 10!
1!
0,1!
0,01!
Mezcla!
Tamaño*de*Par5cula*(mm)*
Figura 16. Curva combinación de los agregados
En la Figura 16 se puede apreciar que la misma tiene dos picos en los materiales gruesos como los finos, sin embargo este es el mejor ajuste de la combinación de ellos que se encontró para los materiales con los que se trabajo para la elaboración de la mezclas de concreto. Dado que el objetivo de esta investigación es cuantificar la eficiencia de las fibras de polipropileno para mitigar las fisuras asociadas a la contracción plástica estos picos no presentan influencia alguna en la medición de los parámetros ya mencionados, sin embargo las resistencias de las mezclas pueden llegar a verse influenciadas si se es totalmente estricto con las solicitaciones hechas en el documento ACI-211-02 referente a la calidad de los agregados y la cantidad de partículas que deben estar presentes en la mezcla de cada uno de los tamaños. Ya definida la combinación más adecuada para el mayor empaquetamiento de las partículas dentro de la matriz de pasta de cemento, se proceden a hacer los cálculos necesarios para saber la cantidad de los materiales necesaria para la elaboración de 1 m3 de concreto, es claro que al tener un valor unitario de materiales es mucho más fácil calcular las proporciones de los materiales según sea la cantidad de mezcla que se desee preparar. Las consideraciones que se deben tener en cuenta respecto al procedimiento de mezclado son las mínimas comunes para la elaboración de cualquier mezcla de concreto, sin embargo se debe tener espacial cuidado en lo relacionado a la inclusión de las fibras dentro de la mezclas así como del plastificante. El procedimiento de mezclado en el presente estudio se realizó inicialmente premezclando los agregados gruesos durante el tiempo necesario para que la mezcla tuviera uniformidad, y luego se mezclaba la arena, dado que se debe garantizar que la cada uno de los componente esta uniformemente distribuido en la mezcla. En la primera aproximación del diseño se encontró que la mezcla de concreto estaba altamente cargada de gravas lo que dificultaba su manejabilidad y por consiguiente su colocación en cada uno de los especímenes que se quería realizar en esta investigación. Se tomaron las medidas correctivas con el fin de mejorar estas características en la mezcla para lo cual se usó un aditivo plastificante que le permitiera a la mezcla obtener las características que se buscaban de manejabilidad, teniendo en cuenta la incidencia que tiene la inclusión de fibras en la pérdida de manejabilidad. 36
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
En la Tabla 9 se muestran las proporciones para una mezcla unitaria de 1m3 de concreto, teniendo esta es posible calcular la cantidad necesaria de materiales para diferentes cantidades de concreto necesarios para la elaboración de especímenes de concreto para el desarrollo de la investigación.
Material*
362!! 210!! 0!!
Vol.* Absoluto* (m3)* 2734!! 0,362! 1000!! 0,210! 0!! 0,0!
402!! 498!! 707!! 1,4!
2435!! 2250!! 2540!! 1300!
W*Seco* (Kg)*
Cemento! Agua! Cont.!Aire! Grava! Gruesa! Grava!Fina! Arena! Plastificante!
ρEspec* (Kg/m3)*
0,165! 0,221! 0,278! 0,0010!
Tabla 10. Diseño de mezcla para 1 metro cúbico
6.3 Diseño y Calibración del túnel 6.3.1
Consideraciones Generales
Teniendo en cuenta los parámetros de diseño del túnel expuestos y paso seguido a su fabricación, se procedieron a hacer mezclas de prueba con algunos de los diseños que mencionamos anteriormente ya sea con o sin inclusión de fibras. Todo esto con objeto de verificar las tasas de evaporación presentadas en cada una de la mezclas, permitiendo encontrar así cuales condiciones proveían dichas tasas en cada uno de los especímenes ensayados. En la Tabla 10. se muestran las diferentes mediciones hechas a mezclas de prueba dentro del túnel de viento de modo que se pudiera establecer la tasa de evaporación deseada para la elaboración del ensayo de contracción plástica en la mezcla de concreto, en la primera aproximación se hace notable que la medida de la evaporación es muy superior a la de las demás mezclas de prueba dado que en esta condición se ponía el equipo a trabajar a su capacidad máxima, así pues la maquina esta en capacidad de generar escenarios medioambientales muy agresivos y que sobrepasan la medida mínima para la aparición de grietas por contracción plástica del documento ACI–305R–99.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Aproximación* Aproximación* Aproximación* Aproximación* 1* 2* 3* 4* 2 2 2 ! Tasa*Evaporación* ! 1,56*Kg/m /h* 0,43*Kg/m /h* 0,53*Kg/m /h* 0,63*Kg/m2/h* Temperatura*Concreto* 30! 18! 25! 18! Temperatura*Aire* 23! 49! 23! 25! Velocidad*del*Viento* 17! 17! 13! 17! Humedad*Relativa* 10! 10! 55! 15! Tabla 11. Medición de condiciones de evaporación en mezclas de prueba
En la Tabla 10. se presentan los resultados de las tasas de evaporación alcanzadas variando las condiciones ambientales. En cada una de las aproximaciones presentadas se realizaron variaciones asociadas al funcionamiento del equipo. En la aproximación 1, se iniciaba con el equipo funcionando a su máxima capacidad de velocidad del viento, en este escenario la tasa alcanzada era muy superior a la deseada por tanto el espécimen puesto dentro de la cámara superior del túnel de viento registraba fisuras muy amplias que fueron registradas como datos de calibración, por lo anterior el área promedio, ancho promedio y CRR (Radio de Reducción de Grieta) del espécimen daban en cada caso valores que no eran los deseados. Dado que en la cámara superior se presentaban condiciones medio ambientales que eran muy agresivas para la mezcla, progresivamente se fueron realizando otras mezclas de prueba con otras condiciones para observar el comportamiento de las mismas, como se puede apreciar en la Tabla 11 (veáse Aproximaciones 2, 3 y 4). En la aproximación 2 la tasa de evaporación bajó más allá de la mitad de la tasa presentada en la aproximación 1 por tanto era necesario aumentar algunos de los parámetros en las condiciones en la cámara superior de modo que se aumentara la tasa de evaporación en la mezcla, por tanto como se puede ver en la Tabla 11. En la aproximación 3 con las variaciones realizadas, únicamente se aumentó la tasa de evaporación en 0,10 Kg/m2/h, sin embargo ya estaba mucho más cerca de la tasa de evaporación deseada para la realización del ensayo. Finalmente en la aproximación 4 se alcanza la tasa deseada para la elaboración del ensayo y de esta investigación. En el documento de la ACI-305R-99 se hace referencia a que la tasa de evaporación necesaria para presentar grietas en un mezcla de concreto es de 1Kg/m2/h. Las tasas de evaporación reportadas en las aproximaciones 2, 3 y 4 en la Tabla 11 son bajas en comparación a lo mencionado en el documento ACI-305R-99, sin embargo encontramos que incluso con la tasa de evaporación más baja se presentan grietas por contracción plástica, por tanto la condición mencionada en la primera aproximación que es muy similar a la del documento ACI-305R-99, es extrema y muy agresiva, lo anterior debido a que estas condiciones solamente se podrían presentar en ambientes muy áridos y que no son comunes en los medios con los que se trabaja con mezclas de concreto. Así mismo al analizar la
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno magnitud de las fisuras con la tasa de evaporación de la aproximación 1, no se podía evidenciar diferencias entre los métodos usados para el control de la contracción. Al encontrar y definir los parámetros deseados para la elaboración del ensayo, procedimos nuevamente a elaborar una mezcla de prueba para conocer la evolución de la tasa de evaporación en la mezcla de concreto a través del tiempo y durante las 6 primeras horas del ensayo, con esto pretendíamos conocer la variabilidad de este parámetro, las mediciones mencionadas se encuentran en la Tabla 11. Estas nos permiten apreciar la variabilidad de la tasa de evaporación del concreto por más que el equipo regule las condiciones ambientales dentro de la cámara, dado que el mismo no esta en condiciones de reponer el agua evaporada ni de regular la temperatura de la mezcla de concreto, vemos como estos dos parámetros comienzan a tener una alta importancia pues los mismos hacen que la tasa de evaporación de la mezcla varíe considerablemente con respecto a la condición inicial que es la deseada. Tiempo*(min)* Tasa* Evaporación* (Kg/m2/h)* Temperatura* Concreto*(ºC)* Temperatura* Aire*(ºC)* Velocidad*del* Viento*(Km/h)* Humedad* Relativa*(%)* Diferencia* Tasa*de*evap.* (Kg/m2/h)*
0! 0,63!!
10! 0,63!!
30! 0,56!!
60! 0,62!!
120! 1,01!!
180! 1,41!!
240! 1,37!!
360! 1,40!!
1440! 1,43!!
18!
24,3!
24,7!
25!
30!
32!
33,6!
33,3!
31,4!
25!
33,8!
32,8!
35,3!
36,3!
35!
38!
35!
34!
17!
17!
17!
17!
17!
17!
17!
17!
17!
15!
29!
36!
30!
29!
21!
26!
27!
18!
0,00!
X0,01!
0,07!
0,01!
X0,39!
X0,78!
X0,74!
X0,77!
X0,81!
Tabla 12.Comportamiento de condiciones ambientales en cámara
En la última fila de la Tabla 11 se encontró un parámetro que permite conocer la diferencia que se presenta entre la tasa de evaporación deseada y la tasa de evaporación que se va presentando a través de la ejecución del ensayo. Como se puede apreciar la condición más crítica se presenta de las tres horas en adelante a partir del momento que el espécimen es puesto dentro de la cámara del equipo, pues en este punto la cantidad de agua en el ambiente comienza a disminuir, lo anterior debido a la interacción del concreto con el ambiente de la cámara, cuando el concreto comienza a aumentar de temperatura producto de las reacciones que en su interior suceden, la temperatura de la cámara también aumenta, este fenómeno hace que aumente la temperatura del aire circundante dentro de la cámara y 39
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno a través del equipo por tanto la humedad relativa comienza a disminuir por la evaporación del agua que se va incrementando conforme la temperatura del espécimen de concreto aumenta. 6.3.2
Medición de Velocidad Promedio del Viento
Realizadas las modificaciones necesarias para cumplir los requerimientos mínimos para la elaboración de la prueba fue necesario reducir el área de medición para el cálculo de la velocidad promedio del viento, de modo que fuera acorde con al área de salida de la boca del ducto de ventilación que lleva el aire desde la cámara inferior. Partiendo de lo anterior se entiende entonces que el área de influencia del viento corresponderá exclusivamente al ancho del molde de preparación del espécimen y a una franja a lado y lado entendida como inerte pues no tienen injerencia alguna en la muestra que se esta evaluando sin embargo será tenida en cuenta dado que es un promedio de la velocidad en toda la salida del ducto y además genera las corrientes necesarias para que el aire recircule a través de las dos cámaras por la boca que comunica ambas cámaras ubicada en la puerta de entrada de los especímenes en el equipo. Siguiendo las anteriores aclaraciones en la Figura 17. se puede apreciar la nueva distribución de los sectores en la cuadricula de calibración de la velocidad media y como el área de la misma se ha reducido significativamente. Las lecturas de la velocidad del viento en las alturas del nivel 0 y nivel 10 de la cuadricula extrapolada no se muestran dentro de los resultados de la Tabla 14, dado que los mismos no son relevantes pues la muestra no esta en contacto con las corrientes de viento en esas zonas, las mismas son solo convenientes para saber la circulación del área a través del área de influencia en donde se pone la muestra y para conocer el flujo de viento que circula a través de la cámara superior.
Figura 17. Malla extrapolada para medición del viento
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Teniendo definida la sectorización para la medición y posterior cálculo de la velocidad media del viento dentro de la cámara superior de la máquina se procede a tomar los datos a las tres alturas y en los cuadrantes presentados en la Figura 17. en los cuadrantes descritos. Los valores obtenidos de la velocidad del viento para las alturas 0 cm y 10 cm no son representativos ya que la salida del ducto del aire se encuentra a 20 cm de altura de forma en que se pueda garantizar la uniformidad del flujo en la superficie expuesta del concreto. La resistencia calefactora para el aire se encuentra ubicada a la salida del ducto de aire por tanto la temperatura del mismo será constante y solo en la recirculación cabra la posibilidad de enfriamiento del mismo y posterior recuperación. Las lecturas registradas en cada uno de los cuadrantes se presentan en la Tabla 14. Se puede observar la uniformidad de la velocidad del viento a lo largo del área de influencia. La velocidad promedio es de 17,1 km/h. C1 17,3 C7 17,1 C13 16,9 C19 16,9
C2 17,4 C8 17,3 C14 17 C20 16,9
C3 17,4 C9 17,2 C15 16,9 C21 17,1
C4 17,2 C10 17,1 C16 17,1 C22 17,0
C5 17,2 C11 17,1 C17 17,0 C23 16,9
C6 17,3 C12 17,2 C18 17,0 C24 16,9
Tabla 13. Medición de la velocidad del viento en cuadrantes en km/h.
Los datos registrados en la Tabla 12. son medidos en Km/h.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
6.4 Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Para analizar el efecto en la contracción del concreto con fibras estructurales de polipropileno se realizará una descripción cualitativa y cuantitativa del grado de agrietamiento debido a la contracción del mismo. 6.4.1
a
Análisis Cualitativo de la Contracción Plástica
b
c
Figura 18.(a) Concreto Convencional (b) Concreto con Nylon (c) Concreto con altas cuantías de Polipropileno (3,2Kg/m3)
En la Figura 18(a,b,c) podemos observar las fotografías de los patrones de fisuración presentados en tres mezclas. La Figura 18(a) presenta una mezcla de concreto convencional, la Figura 18(b) una mezcla de concreto con dosificación de fibras de nylon y la Figura 18(c) muestra una mezcla con dosificación de fibras de polipropileno con cuantías altas (3,2Kg/m3). Las fotografías han sido sometidas a un tratamiento mediante el cual es posible por contraste apreciar de mejor manera las fisuras presentes en el espécimen. Como se puede apreciar la Figura 18(a) al ser un concreto sin ningún tipo de adición para controlar las fisuras por contracción plástica, la fisura a través del resalto central del molde tiene una longitud que contrario a lo que sucede con los concretos con sistemas de control de contracción, atraviesa todo el ancho de la muestra, además de presentar otras fisuras de menor anchura paralelas a la principal. Este comportamiento hace evidente que el concreto convencional no está en capacidad de resistir las tensiones generadas por la contracción plástica al no tener ningún tipo de refuerzo.. En la Figura 18(b) la fotografía muestra que la mezcla de concreto con adición de fibras de nylon, presenta una menor ancho de fisura en la fisura principal y la aparición de fisuras paralelas es significativamente menor, la longitud de la fisura principal es menor comparada con la fisura que presenta el espécimen de concreto convencional, además de no ser constante dado que se fragmenta lo que nos da a entender que las fibras de nylon están 42
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno actuando bajo la superficie de la mezcla, por lo tanto las fibras de nylon son efectivas en el control de la contracción plástica en comparación a un concreto sin ningún tipo de adición. En la Figura 18(c) se puede apreciar una mezcla de concreto con adición de fibras de polipropileno con la mayor dosificación evaluada en este estudio (3,2 Kg/m3). Se observa que el ancho de la fisura principal es despreciable. Evidentemente el concreto con fibras estructurales incorporadas está en la capacidad de mitigar las fisuras generadas por las tensiones de la contracción plástica. Así mismo la presencia de fisuras paralelas al lado de la fisura principal es casi nula, las hay sin embargo al no ser tan evidentes se hacen imperceptibles al tamaño de la imagen en comparación con las otras. Aunque el ancho de la fisura en cada una de los especímenes es un parámetro muy importante que determina la efectividad de cada una de las fibras en la mitigación del fenómeno de la contracción plástica, es importante recalcar que la longitud de la fisura principal también es de vital importancia, dado que están correlacionadas. El análisis de la imágenes es un método representativo para corroborar la eficiencia de las fibras en cada una de las mezclas de concreto.
a
b
c
Figura 19. Comparación de Ancho de Fisura en Mezclas con Nylon y Mezclas con Cuantìas medias de Polipropileno (2,4 Kg/m3 y 2,8 Kg/m3)
En la Figura 19(a) se observa la fisuración generada en un espécimen de concreto con adición de fibras de nylon. El ancho de la fisura es significativamente mayor que el de los especímenes elaborados con adiciones de fibras de polipropileno correspondientes a las Figuras 19 (b) y (c) , la Figura 19(b). muestra un espécimen de concreto con inclusión de fibras de polipropileno a una cuantía de 2,8Kg/m3, comparado con el concreto que tiene inclusión de fibras de nylon el ancho de la fisura es menor, a pesar de representar una longitud considerable la fisura se extiende a través del ancho de la muestra presentando un ancho de constante, lo que disminuye el área fisurada por tener menor dispersión en su ancho, esta cuantía es útil también para desaparecer las fisuras paralelas a la central. En la Figura 19(c). observamos un espécimen de concreto con inclusión de fibras de polipropileno a una cuantía de 2,4 Kg/m3, aunque aparentemente la longitud de la fisura es menor el ancho es mayor que el espécimen de la Figura 19(b), además de esto comienzan a 43
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno aparecer las fisuras paralelas como producto de la contracción y la disminución del efecto de las fibras en la contracción plástica en la superficie del concreto, con esta cuantía la mezcla y el espécimen elaborado comienzan a hacerse vulnerables al efecto de la contracción plástica, por tanto comienza a descartarse el uso de las mismas con la cuantía ya mencionada en ambientes calientes y con escasa agua en el ambiente para cubrir las solicitaciones de la mezcla de concreto.
a
b
c
Figura 20. Comparación Concretos Convencional, Nylon y Polipropileno con Menor Cuantía
En la Figura 20(a,b,c) podemos observar en su orden la mezcla de concreto convencional, la mezcla con fibras de nylon y finalmente la mezcla con fibras de polipropileno. Se hace evidente que al no tener ningún tipo de refuerzo el concreto convencional es el más afectado por la contracción plástica, sin embargo si comparamos las mezclas de concreto con adiciones de fibras de nylon y polipropileno 1,8Kg/m3, Figura 20(b) y Figura 20(c) respectivamente podemos observar que las adiciones ya mencionadas tienen un efecto de control que permite la mitigación de los fenómenos asociados a la contracción plástica aunque la aparición de la fisura principal es evidente así como la aparición de fisuras paralelas aunque claramente en menor medida que el concreto convencional.
a
b
c
Figura 21. Comparación Concretos con Diferentes Dosificaciones de Fibras de Polipropileno
En la Figura 21 podemos observar las imágenes comparativas del ancho de las fisuras presentada en las mezclas de concreto con adición de fibras de polipropileno variando respectivamente de mayor a menor cuantía de fibras en el orden mostrado. En la Figura 20 (a) se observa como la adición de fibras de polipropileno con una cuantía de 3,2Kg/m3 es la 44
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno de mejor comportamiento en cuanto a la mitigación de los efectos de la contracción plástica. Las condiciones de evaporación a las que el concreto está expuesto son severas y a pesar de esto, no se presentan fisuras paralelas. Si se compara la Figura 20 (b) con dosificación media de fibras de polipropileno 2,4Kg/m3 y la Figura 20 (c) con dosificación baja de fibras de polipropileno 1,8Kg/m3, podemos observar que la longitud de las fisuras en ambas imágenes es casi igual con algunos resaltos en la fisura que las diferencian a la una de la otra, sin embargo si se observa detenidamente el ancho de la fisura de cada una de ellas, el concreto con menor cuantía presenta una mayor área de fisuración. Como se ha observado el efecto de la contracción plástica se reduce mediante el uso de fibras de polipropileno en las cuantías ya mencionadas, las fisuras presentadas en cada caso de los anteriores muestran ser menores cuando se incorporan a la mezcla de concreto mayor cantidad de fibras que usualmente son usadas para aportar tenacidad al concreto. Aunque el nylon muestra ser efectivo para mitigar la contracción plástica, su efectividad comparada con el concreto con inclusión de fibras de polipropileno en cuantías medias y altas es menor. La contracción de concretos con cuantías menores de fibras de polipropileno (1,8Kg/m3) es similar a la obtenida con la inclusión de fibras de Nylon. 6.4.2
Análisis Cuantitativo de la Contracción Plástica
Aunque el análisis cualitativo de las imágenes es de gran ayuda para comprender la efectividad de la inclusión de fibras de polipropileno en las mezclas de concreto, es importante que a las mismas se le haga un análisis cuantitativo para de esta manera poder hablar de ordenes de magnitud y comparar los resultados junto con otros obtenidos y poder avaluar de manera más eficiente la efectividad de las fibras de polipropileno en las mezclas de concreto. Para poder realizar lo anterior fue necesario el uso de herramientas de análisis de imágenes (La herramienta de software utilizada está siendo desarrollada por el grupo de investigación CECATA de la Pontificia Universidad Javeriana) las cuales permitieran evaluar pixel a pixel de la fotografía analizando el balance y colores presentes en la imágenes de modo que fuera posible establecer cuales de los elementos presentes en la imagen eran ruido, producto de desenfoque, manchas en la superficie del espécimen entre otras y cuales eran realmente fisuras presentes en los especímenes analizados. Se analizaron las 4 mezclas de concreto adicionadas con fibras de polipropileno con objeto de hallar el valor del área agrietada por acción de la contracción plástica, para de esta 45
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno manera poder comparar su efectividad con respecto de las mezclas de concreto sin ningún tipo de adición. Para el análisis de la muestra se toma un área de 300x300mm cuyo centro estará en todo el centro del molde o la muestra de concreto, es decir que a lado y lado del resalto ubicado en el molde y a través del cual se genera la fisura principal, se toman 150mm de cada lado de modo que haya un área de estudio de 90000mm2 para hacer el análisis cuantitativo de imágenes. Se toma una fotografía de la muestra completa o solamente del área en estudio, es recomendable tomar solamente el área de estudio puesto que el no hacerlo hace requerir en el momento de cargar la imagen al software una pre edición en la que solamente se tenga en cuenta el área de estudio, lo anterior evita que exista ruido en la imagen es decir que al hacer el análisis, se tomen datos que pueden generar desviaciones de la medición como vacìos en la superficie, marcas, entre otros. El software toma las imágenes y al hacer el estudio pixel a pixel de la misma analiza balance de colores mediante los cuales identifica tonalidades similares en cada color, basta con tomar una fotografía y tener una distancia conocida para hacer el análisis, gran ventaja de este software, pues no hace necesario el uso de cámaras o lentes especiales para detallar la fotografía con mayor realce, por el contrario busca simplificar el análisis de las imágenes.
Figura 22. Imagen de software para análisis cuantía 2,8Kg
46
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Figura 23. Imagen de software para análisis cuantía 2,4Kg
Figura 24. Imagen de software para cuantía 2,4Kg
El software requiere que la diferencia de tonalidades entre la superficie no fisurada del concreto y la fisura sea marcado, por tanto de las Figuras 18 (c) y 21(a) no es posible obtener información del área de fisuración. Así mismo para la mezcla con mayor cuantía de fibras de polipropileno no es fácilmente detectable a la vista, razón por la cual el software no esta en capacidad de detectar la fisura. De manera paralela se analizaron las imágenes con la ayuda del programa AutoCad 2013. Se escalaron las fotografías y se demarcaron las fisuras para encontrar el área encerrada por la línea y para determinar el ancho promedio de la fisura principal. Los resultados
47
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno comparativo de las áreas encontradas con el software desarrollado por el grupo CECATA y haciendo uso del Autocad se presentan en la Tabla 13. Área cm2 AutoCad Software
Convencional 2,6 NR
3,2Kg/m3 1,20 1,08
Nylon 2,42 NR
2,8Kg/m3 1,70 1,62
2,4Kg/m3 2,40 2,16
1,8Kg/m3 3,20 2,70
NR: No reportado Tabla 14. Tabla comparación áreas con AutoCad y áreas con software
Como podemos ver existe una ligera diferencia entre los datos calculados mediante AutoCad y los datos generados por el software sin embargo es claro que a mayor cuantía de fibras dentro de la mezcla la capacidad para soportar las exigencias de los fenómenos asociados a la contracción plástica va a ser mayor, por tanto las fibras de polipropileno son una herramienta de mitigación de este fenómeno además del aporte que generan a la tenacidad del concreto. A continuación presentamos los resultados correspondientes a la evaluación del efecto de la inclusión de fibras en las diferentes mezclas de concreto, en las Tablas 14-15-16, se presentan los resultados de cada una de las mezclas. Los datos aquí expuestos son el resultado de hacer los cálculos adecuados para cuantificar el efecto de la adición de fibras en las mezclas de concreto, tomados experimentalmente haciendo uso de elementos de medición manuales, la consideración de las variables asociadas a la medición haciendo uso de estos métodos, no son expuestas aquí. Sin embargo dado que los mismos fueron elaborados por la misma persona, la variabilidad de los mismos se considera baja dado que se siguieron los mismos procedimientos para la toma de datos en cada uno de los especímenes de estudio. Área*Promedio*Fisurada* por*Tipo*de*Mezcla* (cm2)*
Muestra*1*
Muestra*2*
6h*
24h*
6h*
24h*
Convencional*
2,12!
2,70!
2,20!
2,90!
Nylon*
2,12!
2,45!
1,94!
2,60!
Polipropileno*3.2Kg*
0,90!
1,30!
0,85!
1,08!
Polipropileno*2.8Kg*
1,20!
1,54!
1,32!
1,62!
Polipropileno*2.4Kg*
1,50!
2,24!
1,62!
2,16!
Polipropileno*1.8Kg*
1,90!
2,50!
1,76!
2,70!
Tabla 15.Área Promedio Fisurada por Tipo de Mezcla
48
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno Como se aprecia en la Tabla 14. los especímenes de control de concreto convencional, tienen la mayor área promedio de fisuración dado que no poseen ningún tipo de estructura en su interior que mitigue los esfuerzos superficiales y tensiones asociadas a la contracción del concreto en el estado plástico. Las fibras de nylon han demostrado ser efectivas en la mitigación de las grietas asociadas a la contracción plástica del concreto se toman también como control con objeto de comparar la eficacia de las fibras de polipropileno. Cuantías superiores a 1,8Kg/m3 de fibras de polipropileno, demuestran ser efectivas en la mitigación de la contracción plástica reduciendo el área fisurada casi proporcionalmente al concreto adicionado con fibras de nylon, a medida que aumenta la cantidad de fibras dentro de la mezcla de concreto se aprecia como se va reduciendo el área fisurada, luego a mayor cantidad de fibras, menor es la afectación de la muestra debido a los efectos de la contracción plástica. Los resultados del área promedio fisurada con cuantías superiores a 2,4Kg/m3 pero menores a 2,8Kg/m3 presentan una importante variabilidad entre cada una de las dos, por lo tanto la inclusión de estas fibras en las cantidades mencionadas, dependerá en gran medida de las condiciones y resultados esperados al hacer la inclusión de fibras en la mezcla de concreto, si lo que se desea es mitigar los efectos nocivos de la contracción plástica del concreto cualquiera de las dos inclusiones proveerá este efecto sin embargo, cuando la aplicación de las mismas tiene también propósitos estructurales, la mayor inclusión es la más recomendable. Por tanto la cuantía que más influencia tiene en el área promedio fisurada es la de 3,2Kg/m3, pues reduce este parámetro significativamente de manera que la fisura aunque presente en el espécimen es casi imperceptible a la vista e incluso a los análisis de imagen. Ancho*Promedio* Muestra*1* Muestra*2* Fisurada*por*Tipo*de* 6h* 24h* 6h* 24h* Mezcla*(mm)* Convencional*
1,60!!
1,80!
1,20!
1,70!
Nylon*
0,45!
0,60!
0,55!
0,75!
Polipropileno*3.2Kg*
0,05!
0,05!
0,05!
0,10!
Polipropileno*2.8Kg*
0,19!
0,25!
0,15!
0,30!
Polipropileno*2.4Kg*
0,24!
0,40!
0,30!
0,45!
Polipropileno*1.8Kg*
0,40!
0,55!
0,45!
0,65!
Tabla 16. Ancho Promedio de Fisura por Tipo de Mezcla
49
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
Como se observa en la Tabla 15. en donde se muestra la influencia de las fibras en el ancho de fisura en cada uno de los especímenes, al tiempo que las comparamos cada una de las dosificaciones con las mezclas de control, es decir las convencionales con las mezclas adicionadas con fibras de cualquier tipo, se hace evidente que el ancho de las fisuras disminuye considerablemente, en concretos adicionados lo que nos deja ver que independiente de la cuantía de la dosificación, el agregar fibras a una mezcla de concreto es una solución útil para mitigar el impacto del ancho de las fisuras en una mezcla de concreto de grandes superficies. El ancho promedio de la fisura se reduce en más del 95% cuando la adición de fibras de polipropileno tiene una cuantía de 3,2Kg/m3, estas fisuras no son fácilmente visibles y pueden tomarse en el aspecto estético como aceptables dado que no hay necesidad de reparar las mismas si no únicamente aplicar medidas para cubrirlas. Aunque las demás cuantías de fibras de polipropileno no tengan una efectividad comparable con la mayor de ellas, las mismas también funcionan perfectamente como una herramienta para reducir el impacto de la contracción plástica en las mezclas de concreto, solamente la cuantía menor de todas ellas produce efectos similares que las fibras de nylon, por tanto de ese valor en adelante cualquier dosificación es ampliamente aceptada para la mitigación del efecto de la contracción plástica en el concreto. Vemos que a las 6 horas las fisuras presentan valores diferentes entre cada una de las adiciones, valores pequeños comparados con los arrojados por la mezcla de concreto convencional, sin embargo si los comparamos con los valores finales a las 24 horas de haber ejecutado el ensayo podemos concluir que en definitiva las condiciones ambientales juegan un papel fundamental en el desarrollo de estas, puesto que crecen duplicando su valor en las primeras 6 horas, por tanto el fenómeno de la contracción plástica sigue desarrollándose a medida que la muestra obtiene una resistencia considerable generando así el crecimiento de estas fisuras. Teniendo ya la implicaciones técnicas del impacto de la adición de fibras en las mezclas de concreto, debe considerarse el impacto económico que esta clase de adiciones tienen en el costo de la misma, dado que las fibras de polipropileno comparadas con las de nylon son dos veces más costosas, es importante tener claro cual es el objetivo de adicionar fibras a la mezcla, por tanto si lo que se pretende es únicamente reducir el ancho de la fisura para su posterior reparación es más viable el uso de fibras de nylon, sin embargo deben ser tenido en cuenta que en cualquiera de los casos además de las fibras, otros costos deben ser considerados dado que se necesitara de otras adiciones para conservar condiciones como el asentamiento de la mezcla, pues la hacerse la mezcla más pesada este valor cambiara considerablemente, así mismo el personal y maquinaria requerido para la colocación incrementaran los costos de operación al trabajar con estas mezclas. Cuando de mitigación del impacto de la contracción plástica en el acabado y reparación primaria del espécimen se trata, cualquier dosificación de fibra cumplirá con reducir el ancho de la fisura, sin embargo se debe hacer énfasis que el control de las condiciones 50
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno ambientales, así como las operaciones secundarias a la colocación de la mezcla como lo es el curado no deben ser prescindibles, pues aunque las fibras cumplirán con el objeto para el que fueron puestas en la mezcla, estas acciones secundarias contribuirán en mayor medida a la mitigación de las fisuras, dado que en la presente investigación no son tenidas en cuenta estas implicaciones, es importante recalcar que ambos procedimientos realizados en los estados adecuados en la mezcla, son la mejor opción para mitigar el impacto de la contracción plástica en la mezcla de concreto. Radio*de*Reducción*de* Grieta*^CRR*
Muestra*1* 6h* 24h*
Muestra*2* 6h* 24h*
Nylon*
71,9!%!
66,7!%!
54,2!%!
55,9!%!
Polipropileno*3.2Kg*
96,9!%!
97,2!%!
95,8!%!
94,1!%!
Polipropileno*2.8Kg*
87,5!%!
86,1!%!
87,5!%!
82,4!%!
Polipropileno*2.4Kg*
87,5!%!
77,8!%!
75,0!%!
73,5!%!
Polipropileno*1.8Kg*
75,0!%!
69,4!%!
62,5!%!
61,8!%!
Tabla 17. Calculo de CRR para Mezclas con Fibras
En la Tabla 17. se muestran los resultados del calculo del CRR (Cracking Reduction Ratio) por sus siglas en ingles, determinado por la norma ASTM C-1579-12, con el mismo se pretende evaluar el porcentaje de reducción de grietas comparado con las muestras de control, es decir el concreto convencional sin ningún tipo de adición de fibras. El mismo se calcula como se muestra en la Ecuación 3.: !"" = 1 −
!"#ℎ!!!"#$%&'#!!"!!"!!"#$%&!!"!!"#$%&'"!!"#!!"#$#ó!!!"!!"#$%& ∗ 100% !"#ℎ!!!"#$%&'#!!"!!"!!"#$%&!!"!!"#$%&'"!!"!!"#$%"&!!!!"#$%#&'"#() Ecuación 3. Ecuación Para el Cálculo del CRR
Como habíamos visto más arriba la mezcla con menor eficiencia en la mitigación de fisuras por contracción es la que tiene una cuantía de 1,8Kg/m3 comparada con las demás mezclas con fibras de polipropileno, sin embargo tiene una alta efectividad comparable a la de las mezclas elaboradas con nylon, no se debe descartar la misma como un mecanismo de mitigación de la contracción plástica, sin embargo se debe evaluar bajo que condiciones se va a poner la misma para saber si es o no la adecuada para combatir este fenómeno.. Mezclas con cuantías de fibras de polipropileno iguales y entre 2,4Kg/m3 – 2,8Kg/m3, son altamente eficientes en la mitigación de las fisuras por contracción plástica, comparadas con las fibras de nylon, en especialmente cuando las condiciones no son la mejores para el 51
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno curado del concreto y se espera hacer pequeñas reparaciones en los proyectos elaborados con estas, nos referimos en especial al aspecto estético y no mecánico. El CRR muestra que estas mezclas de concreto reducen al 80% el área afectada por fisuras producidas por la contracción plástica, lo cual es destacable pues la cuantía es muy pequeña para un volumen tan grande y su resultado final será mejor en comparación con un concreto elaborado con refuerzo de malla electro soldada. Indiscutiblemente cuando las condiciones lo ameriten y el costo beneficio se vea reflejado en el tiempo, la mejor alternativa para reducir la afectación por las fisuras asociadas a la contracción plástica es sin ninguna duda la incorporación de fibras de polipropileno con una cuantía igual o mayor a 3,2Kg/m3, además de mitigar la contracción plástica, la mezcla mejorar en su comportamiento mecánico dado que las fibras muestran aportar mayor capacidad de asumir cargas residuales en elementos esbeltos de concreto. Además de la medición de los parámetros asociados a la eficiencia de las fibras en las mezclas de concreto con respecto a la mitigación de las características de las fisuras, también se hizo seguimiento a como las fibras puestas en la mezcla de concreto influyen en los tiempos de aparición de estas sobre la superficie de un espécimen con cualquier inclusión , por tanto el esfuerzo para que una fisura se propague en un espécimen debe ser mayor cuando existe una matriz que le impida su aparición rápida a través de la superficie del espécimen. Para lo anterior junto con el seguimiento de las condiciones ambientales en la cámara superior del equipo, se hizo seguimiento al momento en que aparecía la primera fisura en la superficie del espécimen de concreto, para tales efectos mediante el uso de una cámara de video enfocada al sitio donde se encuentra el resalto en el molde se registraba un video de la duración que fuera necesaria hasta notar ya fuera en el momento o más tarde revisando el video el tiempo necesario para la aparición de la fisura en el concreto, lo datos obtenidos de este seguimiento son los mostrados en la Tabla 18. Concreto Convencional Concreto con Fibras de Nylon Concreto con Polipropileno 3,2Kg/m3 Concreto con Polipropileno 2,8Kg/m3 Concreto con Polipropileno 2,4Kg/m3 Concreto con Polipropileno 1,8Kg/m3
178 min 198 min 260 min 218 min 201 min 181 min
Tabla 18. Tiempos de Aparición de la Primera Fisura
Como podemos ver en la Tabla 18, la inclusión de fibras retrasa la aparición de la primera fisura en cada uno de los especímenes de concreto, por tanto este retraso puede ser aprovechado para tomar las medidas correctivas en cada caso como por ejemplo el comienzo de un curado intensivo o el cubrimiento de los especímenes con algún tipo de material impermeable que no permita la perdida de agua como el cambio irregular entre la exudación y la evaporación que magnifica los fenómenos de contracción plástica en el concreto. 52
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno 6.4.3
Caracterización Mecánica
Para la caracterización mecánica de las mezclas de concreto, se elaboraron especímenes como vigas y cilindros de cada una de las ellas con objeto de obtener parámetros que permitieran en primer lugar verificar la calidad de las mezclas de concreto conociendo la resistencia a la compresión, dado que esta ultima nos da margen a confirmar los cálculos elaborados en el diseño de mezcla también nos permite afirmar que las mezclas elaboradas en esta investigación tienen plena aplicabilidad en el campo que sean útiles pues cumplen con uno de los parámetros básicos para la elaboración de obras en concreto como es el cumplir con la resistencia de diseño a la edad esperada. Así mismo la resistencia nos permite conocer la variabilidad de la elaboración de cada una de las mezclas, esto quiere decir, conocer la incidencia de los factores externos a los materiales como lo son los procesos de mezclado y colocación de cada una de las mezclas en los especímenes de modo que sea posible conocer la homogeneidad de cada uno de los vaciados de la mezclas de concreto, pues como se entenderá al realizarse una cantidad de mezclas diarias variando la clase de cada una de ellas es probables que de una misma vaciada se encontraran o no dispersiones significativas en los datos que más adelante mostraremos.
Resistencia*Compresión*(MPa)*
25!
20! Convencional!
15!
Nylon! 3,2Kg/m3!
10!
2,8Kg/m3! 2,4Kg/m3!
5!
1,8Kg/m3!
0! 3!Dias!
7!Dias!
28!Dias!
Edad* Figura 25. Resistencia a la Compresión
53
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno En la Figura 25. se puede apreciar mediante el grafico de barras la resistencia a la compresión promedio de cada uno de los especímenes elaborados con las mezclas de concreto de esta investigación. El valor mostrado corresponde al promedio de las resistencias de las muestras. De los resultados se puede apreciar que no existe una diferencia significativa de la incorporación de fibras en los resultados de resistencia a la compresión en las diferentes edades. Los cilindros de concreto con adiciones de fibras a pesar de cumplir con las resistencias de diseño presentaban modos de falla no convencionales (cono, corte, etc), su modo de falla se podría considerar como de aplastamiento puesto que los bordes de los cilindros eran os que fallaban hasta una altura de ¼ de la altura del cilindro, esta clase de falla la podemos ver en la Figura 26:
Figura 26. Modo de Falla Desconocido en Cilindro con Fibras
En la Figura 26. se pueden apreciar los hilos de las fibras de polipropileno embebidas dentro de la mezcla de concreto, la falla se podría describir como de corte sin embargo no cubre la longitud suficiente del espécimen por tanto no se podría calificar de este tipo, revalidando así lo mencionado más arriba frente a la clase de falla y que presentan los cilindros adicionados con fibras. Este tipo de comportamiento solo se presenta cuando la adición es de fibras de polipropileno, los cilindros elaborados con adición de fibras de nylon presentan patrones y comportamientos de fallas normales.
54
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno 4,00!
Modulo*de*Rotura*(MPa)*
3,50! 3,00! conv!
2,50!
n! 2,00!
3.2!
1,50!
2.8!
1,00!
2.4! 1.8!
0,50! 0,00! 3!
7!
28!
Edad*(Días)*
Figura 27. Módulos de Rotura para las Vigas
Para determinar el comportamiento post fisura de los especímenes y la capacidad de las fibras de absorber energía y evitar la falla del elemento ser realizaron ensayos de flexión en los tercios de la luz, según aplicara. Dado que hay especímenes como los de concreto convencional y adicionado con fibras de nylon en donde no hay la capacidad dentro del espécimen para seguir controlando y absorbiendo energía después de la fisura, los ensayos de flexión solamente arrojan el modulo de rotura como dato importante para conocer el comportamiento de las mezclas de concreto en este aspecto, los módulos de las demás mezclas han sido calculados para tener un parámetro de comparación y determinar la uniformidad de todas las mezclas, así pues los datos presentados en la Figura 27. muestran los módulos de rotura de los especímenes de concreto elaborados con cada una de las mezclas de concreto adicionadas con fibras en las edades para las cuales fueron diseñados cada uno de ellos. Se puede apreciar que a los 3 días existe una uniformidad de los datos por encima de los 22,5MPa, la mezcla con dosificación de 3,2Kg/m3 de fibras de polipropileno tiende a igualarse con el valor del concreto convencional, que tienen un modulo de rotura igual o superior a los 2,5MPa este comportamiento se mantiene durante las siguientes edades de falla de los elementos, esto puede estar relacionado a la cantidad de cemento en cada una de las mezclas dado que aunque existe una uniformidad en los procesos de elaboración de los especímenes, es importante considerar un error ya sea por las razones anteriormente expuestas o por los procesos de elaboración de los especímenes. A los 7 días el 55
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno comportamiento de los concretos convencionales y con inclusión de 3,2Kg/m3 de fibras de polipropileno permanece creciente en su modulo de rotura comparado con los otros, luego se mantiene la tendencia de las mezclas evaluadas a los tres días, por lo que no se puede considerar una anomalía de las especímenes de las mezclas de concreto en cada uno de los casos a los 3 días. El comportamiento de los especímenes a los 28 días se mantiene, sin embargo los demás especímenes de concreto presentan una uniformidad en cuanto a los módulos de rotura, por tanto los resultados mostrados en la Figura 27. son el promedio de las muestras totales elaboradas para cada una de las muestras de concreto. Las dispersiones que hemos visto en las edades ya mencionadas pueden deberse también a la influencia de la geometría de cada uno de los especímenes, dado que el caculo del modulo de rotura se realiza con las medidas promedio del ancho y alto de la sección transversal de las vigas de concreto que se evalúan en cada caso, la repetitividad pretende obviar la dispersión generada por estas irregularidades de los especímenes, pues diferencias de milímetros aumentan o disminuyen significativamente el modulo de rotura de los especímenes. El desempeño a la flexión del concreto reforzado con inclusión de fibras de concreto se evalúa mediante la aplicación de una carga en los tercios de la luz con una velocidad variable que responde al desplazamiento en el punto central de la viga, teniendo una maquina que mediante ciclo cerrado alimente el desplazamiento del bastidor que aplica la carga al espécimen en cuestión. Cuando el ensayo se realiza la primera vez, la programación de estos parámetros en la maquina son complicados, dado que existe una velocidad variable respondiendo al desplazamiento en el punto medio de la luz. Cuando el instrumento que alimenta la maquina no tiene la sensibilidad necesaria para tomar los datos del desplazamiento en diezmilésimas de milímetro hacer la retroalimentación y que el equipo controle la velocidad con la que el bastidor baja es casi imposible, además se hace necesario realizar el ensayo en una ambiente controlado en el que los instrumentos se encuentren lo menos afectados por los ruidos (dispersiones) generados en la lectura en condiciones no controladas del medio ambiente; lo que esto quiere decir es que variaciones leves en la temperatura, cambios térmicos de las superficies de contacto y componentes electrónicos, generan variación y dispersión en las lecturas que se toman con estos instrumentos. Las complicaciones asociadas a controlar las condiciones ambientales en un espacio amplio son relevantes en el resultado del ensayo debido a la incidencia de las mismas en los instrumentos de medición. La programación de esta clase de ensayos en los equipos, es también complicada puesto que son tantas las variables que el equipo debe controlar que la posibilidad de que haya conflicto en el desarrollo del ensayo es muy alta; al no existir una velocidad constante en el desplazamiento del bastidor y que la velocidad del mismo esta sujeta a la cantidad de desplazamiento en la luz central de la viga hacen que el equipo deba tener muy claros los parámetros bajo los cuales se debe regir para ejecutar las acciones que amerite en cada caso. Esta velocidad al estar asociada a la medición del deformímetro en el 56
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno centro de la luz de la viga y que este se vea afectado por los aspectos que ya mencionamos más arriba imposibilitaron la buena ejecución de los ensayos para los especímenes que contenían la inclusión de fibras. Por tanto se opto por tomar una velocidad constante en el desplazamiento del bastidor de la maquina que fuera un valor medio entre la velocidad más baja disponible para el ensayo y la más alta dispuesta según fuera el caso y que arrojara resultados con las condiciones similares a las pedidas en la norma que rige el ensayo, así pues se elaboraron las fallas de la primera parte de esta investigación sin embargo los resultados nunca fueron los esperados o similares a los que recomienda la norma que deben generar la ejecución del ensayo. Los equipos de ciclo cerrado o cualquiera que aplique una fuerza sobre un cuerpo están programados para detenerse ante una disminución fuerte o pico de carga en la tasa de crecimiento de la carga al ejecutarse el ensayo sobre un espécimen de cualquier tipo, esto quiere decir que cuando una muestra esta sometida a una fuerza considerable y se fisura o falla de manera frágil, el desplazamiento del bastidor se detiene como respuesta ante el pico de carga que ha detectado en la ejecución del ensayo. Esto como norma de seguridad para que el equipo no sufra daños en su funcionamiento por bloqueo de sus partes o rotura de las mismas al aplicar estas cantidades de fuerza sobre si mismo. Ante lo anterior, cuando se realizaba el ensayo en los especímenes de concreto con fibras toda la ejecución del mismo estaba controlada y correcta mientras no se presentaba la rotura de la matriz de concreto que contenía las fibras. Al suceder lo anterior y presentarse un pico en la tasa carga del equipo sobre el espécimen, la misma detenía la ejecución del ensayo como medida de seguridad pues detectaba que el espécimen había llegado a su carga máxima y que por tanto no existía algún tipo de elemento que tuviera la capacidad de absorber la energía residual generada por la continuación del ensayo y carga continua sobre el espécimen. Así pues al fallar las vigas únicamente se obtenían los datos del desplazamiento y la deformación neta correspondientes a la resistencia del espécimen hasta el rompimiento de la matriz de concreto, después de esto la maquina paraba de hacer el registro de los datos y daba por terminada la ejecución del ensayo. Luego lo anterior quiere decir que los datos obtenidos de las vigas con inclusión de fibras no representaban el comportamiento real de las mismas sino que solamente contemplaban los datos concernientes al comportamiento frágil de la matriz de concreto, así pues los mismos no eran concluyentes y no aportaban información relevante para el desarrollo de esta investigación pues presentaban el mismo comportamiento de un concreto sin ningún tipo de adición. Sumando a lo anterior, la imposibilidad del deformímetro de registrar datos con sensibilidad de diezmilésima de milímetro generaban en los reportes finales del ensayo datos que no eran concluyentes, puesto que presentaban desplazamientos negativos, es decir en lugar de existir o registrar flexión el deformímetro registraba una compresión 57
Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno claramente inexistente en el espécimen y que no demostraba el comportamiento real de la muestra en el comienzo del ensayo. Este comportamiento irregular e inexistente en el espécimen se hacia evidente al generar el grafico de carga neta vs deformación que mostraba que la carga no aumentaba con respecto a la deformación de manera constante sino que por lo contrario caía a valores negativo de manera extraña.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno 6.4.4
Evaluación Económica del Uso de Fibras y Malla Electro Soldada
Con objeto de hacer uso o no de fibras estructurales como medida de mitigación para los fenómenos asociados a la contracción, a continuación se realiza una evaluación económica del uso de las mismas dentro de una mezcla de concreto para la elaboración de una losa de gran superficie. Se compara el costo del uso solamente de fibras estructurales de polipropileno dentro de la mezcla vs una mezcla de concreto con inclusión de fibras de nylon y el uso de una malla electro soldada, para la elaboración de la losa. Las dimensiones de la losa a construir se encuentran consignadas en la Tabla 19. Dimensiones Largo (m) Alto (m) Espesor (m) Volumen (m3)
2 2 0,25 1
Tabla 19. Dimensiones losa
Material Concreto (m3) Fibras (Kg/m3) Malla Electro Soldada (un) Aditivo (l/m3) Mano de Obra TOTAL
COSTO Nylon + Malla $214,000 $24,530 $35,053 $6,400 $10,581 $290,564
Fibras Estructurales $214,000 $56,800 N/A $6,400 $10,581 $287,781
Tabla 20. Comparación de costos construcción losa mediante dos alternativas
Nota: El costo de la malla se toma como unitario dado que este producto viene en una medida estándar de 2x3m. En la Tabla 20. se pueden apreciar los costos de la construcción cada una de las losas con los diferentes materiales usados, se aprecia que la diferencia en los costos esta ligado únicamente a la diferencia del uso o no de la malla electro soldada, dado que los demás costos permanecen constantes. Por tanto la conveniencia o no del uso de cualquiera de los dos métodos dependerá del balance económico como de la conveniencia del uso de fibras dentro de la mezcla de concreto dado que las mismas mejoran la calidad estética del acabado y mejoran el comportamiento mecánico para solicitaciones especiales según se aplique.
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Evaluación del efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno
7 Conclusiones y Recomendaciones De acuerdo a las pruebas realizadas las fibras de polipropileno que usualmente son utilizadas con propósitos de reforzamiento de pisos industriales controlan los fenómenos de contracción plástica. A mayor porcentaje de fibra de polipropileno incluida menores fueron los efectos observados de aparición de fisuras en el concreto, esto se evidenció en los menores ancos de fisuración promedio de l concreto con la cuantía de 3,2 Kg/m3 (0,075mm) comparado con el de la cuantía de 1,8 Kg/m3 (0,60mm). Así mismo el porcentaje de reducción de la fisuración (CRR) para cuantías de 3,2 Kg/m3 fue significativamente mayor (95,7%) que para cuantías de 1,8 Kg/m3 (65,6%). Mediante la comparación de mezclas con inclusión de fibras de polipropileno y de nylon se demostró que ambas están en capacidad de mitigar los efectos nocivos de la contracción plástica, sin embargo presentan mejores resultados las fibras de polipropileno para cuantías altas y medias. En el caso de cuantías bajas se encontraron comportamientos similares en términos de áreas de afectación y anchos de fisuras. La inclusión de fibras de polipropileno retrasa la aparición de fisuras relacionadas con el fenómeno de la contracción plástica, permitiendo de esta manera tomar las medidas correctivas necesarias para evitar su aparición. Las fibras tanto de nylon como de polipropileno no evidencian tener algún efecto benéfico en el comportamiento mecánico de la mezcla en cuanto a la compresión se refiere . En cuanto a la resistencia a la flexión residual, es observa que las fibras de polipropileno permiten que el material siga resistiendo carga luego de su fisuración. Los concretos con fibras de nylon y convencional (sin fibras) fallan de manera frágil. Para el análisis de la influencia de fibras y otros componentes que busquen mitigar la contracción plástica o las fisuras en general, se recomienda contrastar las medidas en campo con alguna otra técnica de análisis como por ejemplo el análisis de imagen para corroborar la eficiencia de los procesos orientados al control del fisuramiento en elementos de concreto.
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9 Anexos ANEXO 1. GUIA PARA LAELABORACIÓN Y TOMA DE DATOS DEL ENSAYO ASTM-1579-12: En el presente documento se dan los parámetros mínimos para la realización del ensayo ASTM-1579-12 y la toma de datos provenientes del mismo. Este documento no pretende reemplazar la norma estándar que rige el ensayo, es solamente una guía practica de recomendaciones y procedimientos que se deben tener en cuenta a la hora de ejecutar el ensayo. Para hacer uso del equipo el mismo debe encenderse una hora y media antes de la puesta de la muestra dentro del mismo, más adelante veremos el objeto de esto. En la primera media hora se enciende el equipo y se comienzan a adecuar las condiciones de cámara necesarias para que la taza de evaporación sea la deseada para realizar el análisis pertinente. La hora restante se usa para revisar dichas condiciones y garantizar que las mismas sean estables pasado este tiempo. Posterior a la hora y media anterior, se puede comenzar a hacer el mezclado del concreto para la elaboración de los especímenes. Los moldes para la elaboración de los especímenes de concreto deben estar debidamente preparados, es decir aceitados y con todos los elementos necesarios como la varilla de compactación y mesa vibratoria o maso de goma para hacer la correcta elaboración de estos. Durante la ejecución del ensayo se deben tomar medidas regularmente de tal manera que se pueda verificar, que la tasa de evaporación deseada se esta manteniendo a través del tiempo, esta verificación puede hacerse haciendo uso de nomograma de la Figura 3. o usando la Ecuación 2. Para lo mencionado se recomienda tomar medidas de las condiciones de la cámara: Cada 10 y 30 minutos después de la colocación del espécimen dentro de la cámara hasta cumplir una hora de ejecución del ensayo, posterior a esta se deben tomar datos con intervalo de una hora hasta cumplirse la cuatro hora. Acabado este intervalo de tiempo, S toman únicamente las medidas de control al cumplirse las 6 horas de ejecución del ensayo y finalmente a las 24 horas cuando la muestra sea retirada del equipo para elaborar hacer la medición de las fisuras. 64
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Por tanto, se sugiere usar la Tabla 7. para registrar los datos y calcular la variación de la tasa de evaporación de la mezcla: TIEMPO 10 min 30 min 60 min 120 min 180 min 240 min 360 min 1440 min
Temperatura del Aire
Temperatura Concreto
Humedad Relativa
Tabla 21. Control de condiciones en la cámara
Se asume que la velocidad del viento permanece constante durante la ejecución de todo el ensayo. Para la toma de datos de agrietamiento, se deben tomar los ancho de la fisura a lo largo de la misma de acuerdo a lo estipulado en el documento que rige el ensayo. Cuando se presente la fisura, si la misma se presenta de manera lenta se debe hacer seguimiento según sea conveniente en intervalos de tiempo de la evolución de la misma. Por tanto si se presenta de manera frágil y rápida, simplemente se debe seguir el procedimiento de medida aplicado al final del tiempo y estipulado en el documento que rige el ensayo, esto para tener un parámetro del comportamiento de la fisura con respecto a la toma final de datos. Se recomienda que la toma de datos de la fisura presentada en la muestra se haga en dos fases, la primera de ella contempla la medición del ancho y longitud de la fisura a las 6 horas y finalmente las condiciones finales de la fisura a las 24 horas, es decir al finalizar el ensayo. Se recomienda que el túnel de viento se encuentre ubicado en un espacio en donde las condiciones medio ambientales que rodean al mismo sean controladas de modo que la influencia de estas en los resultados finales del ensayo, no sean significativas dado que las condiciones en el túnel y la cámara en donde se coloca la muestra también tiene las condiciones controladas. Dado que se deben tomar datos de control en los intervalos ya mencionados, es importante identificar el tiempo que toma la primera aparición de la fisura en el espécimen esto para saber cuanto tiempo toma en cada una de las mezclas la aparición de las fisuras, por consiguiente conocer si además del estado final las fisuras se retrasan por acción de las fibras incluidas en la mezcla. 65
ANEXO 3 BIBLIOTECA ALFONSO BORRERO CABAL, S.J. DESCRIPCIÓN DE LA TESIS O DEL TRABAJO DE GRADO FORMULARIO TÍTULO COMPLETO DE LA TESIS DOCTORAL O TRABAJO DE GRADO Evaluación del Efecto en la Contracción del Concreto con Fibras Estructurales de Polipropileno SUBTÍTULO, SI LO TIENE
AUTOR O AUTORES Apellidos Completos Manzano Valbuena
Nombres Completos José Libardo
DIRECTOR (ES) TESIS O DEL TRABAJO DE GRADO Apellidos Completos Nombres Completos León Neira María Patricia
Pregrado X
FACULTAD Facultad de Ingeniería PROGRAMA ACADÉMICO Tipo de programa ( seleccione con “x” ) Especialización Maestría
Doctorado
Nombre del programa académico Carrera de Ingeniería Civil Nombres y apellidos del director del programa académico María Patricia León Neira TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: Ingeniería Civil PREMIO O DISTINCIÓN (En caso de ser LAUREADAS o tener una mención especial):
CIUDAD
AÑO DE PRESENTACIÓN DE LA TESIS NÚMERO DE PÁGINAS O DEL TRABAJO DE GRADO Bogotá D.C. 2014 76 TIPO DE ILUSTRACIONES ( seleccione con “x” ) Tablas, gráficos y Dibujos Pinturas Planos Mapas Fotografías Partituras diagramas x x SOFTWARE REQUERIDO O ESPECIALIZADO PARA LA LECTURA DEL DOCUMENTO Nota: En caso de que el software (programa especializado requerido) no se encuentre licenciado por la Universidad a través de la Biblioteca (previa consulta al estudiante), el texto de la Tesis o Trabajo de Grado quedará solamente en formato PDF.
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MATERIAL ACOMPAÑANTE TIPO
DURACIÓN (minutos)
CANTIDAD
FORMATO CD
DVD
Otro ¿Cuál?
Vídeo Audio Multimedia Producción electrónica Otro Cuál? DESCRIPTORES O PALABRAS CLAVE EN ESPAÑOL E INGLÉS Son los términos que definen los temas que identifican el contenido. (En caso de duda para designar estos descriptores, se recomienda consultar con la Sección de Desarrollo de Colecciones de la Biblioteca Alfonso Borrero Cabal S.J en el correo
[email protected], donde se les orientará). ESPAÑOL INGLÉS Contracción Plástica
Plastic Shrinkage
Fibras Estructurales
Estructural Fibers
Fisuración del Concreto
Concrete Cracking
Concreto Fibro Reforzado
Fiber Reinforced Concrete
Tasa de Evaporación
Evaporation Rate
RESUMEN DEL CONTENIDO EN ESPAÑOL E INGLÉS (Máximo 250 palabras - 1530 caracteres) El trabajo tiene por objeto brindar una herramienta de estudio para comprender de mejor manera el comportamiento de los concretos adicionados con fibras y como estos pueden ser una solución para controlar los fenómenos dañinos asociados a la contracción del concreto. La utilización de fibras en el interior de la matriz de concreto tiene como finalidad la formación de un material compuesto en el que un material diferente a los agregados este disperso en una matriz de pasta de cemento hidratada, creando un agente de refuerzo formando por un material fibroso de distinta naturaleza. Las fibras homogéneamente distribuidas dentro de una mezcla constituyen una micro armadura la cual, por un lado ha demostrado ser eficiente en la reducción de fenómenos de fisuración por retracción y por otro, confiere a la mezcla de concreto una mayor ductilidad. A pesar de estos avances uno de los problemas mas comunes que se deben afrontar en la construcción con concreto es la aparición de fisuras causadas por la contracción plástica. Las fibras estructurales de polipropileno como la Tuff Strand Sf son macrofibras sintéticas autofibrilantes que han sido usadas con éxito para reemplazar las fibras de acero, la malla electro soldada en diferentes escenarios con las dosificaciones adecuadas. A pesar de ser recomendadas para aplicaciones estructurales, pueden llegar a ser usadas para reducir la influencia de otros fenómenos como el de la contracción plástica. Cuantificar la efectividad en la reducción de la contracción plástica en el concreto permitirá desarrollar métodos, herramientas y manuales que permitirán el aprovechamiento máximo de esta clase de mezclas de concreto. The work aims to provide a study tool to better understand the behavior of concrete with added fibers and how they can be a solution to control the damaging phenomena associated with the contraction of the concrete. The use of fibers within the concrete matrix has the purpose of forming a composite material in PUJ– BG Normas para la entrega de Tesis y Trabajos de grado a la Biblioteca General – Junio de 2013
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which a different material to the aggregate this dispersed in a matrix of hydrated cement paste, creating a reinforcing agent formed of a material fibrous nature differently. Evenly distributed fibers within a mixture constitute a micro armature which, on the one hand proves to be efficient in reducing shrinkage cracking phenomena and on the other, conferring to the concrete mix a greater ductility. Despite these advances one of the most common problems faced in concrete construction is the appearance of cracks caused by plastic shrinkage. The structural polypropylene fibers as Tuff Strand macrofibres Sf are fibrillating synthetic self who have been successfully used to replace steel fibers, electro welded mesh in different scenarios with appropriate dosages. Despite being recommended for structural applications, they can be used to reduce the influence of other phenomena such as plastic shrinkage. Quantify the effectiveness in reducing plastic shrinkage in the concrete will develop methods, tools and manuals to allow maximum use of this kind of concrete mixtures.
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