Tema Campo laboral del ingeniero civil en la innovación de la tecnología del concreto aplicada a estructuras. Título Refuerzos alternativos del concreto estructural Subtítulo Fibra de aramida como refuerzo para el concreto Filiación Miramontes,
I.
(2017),
Universidad
Autónoma
de
Guadalajara,
[email protected] Palabras clave ● Concreto: es una mezcla elaborada a partir de un material conglomerante, generalme lmente cemento, agreg regados (grava y arena) y agua; que se usa para la elaboración de diversos elementos en la industria i ndustria de la construcción. ● Refuerzo: es un material externo que se añade a cualquier elemento estructural con el fin de aumentar su resistencia y darle mayor estabilidad mecánica. En el concreto estructural este material suele ser acero. ● Acero: es una aleación metálica manejable, que se adapta a la situación para la que sea requerida y puede tomar la forma y posición de casi cualquier estructura. ● Fibras: son los filamentos de la composición de cualquier material, ya sea orgánico, inorgánico, entre otros. ● Aramida: es un polímero artificial, de muy altas resistencias ante esfuerzos mecá mecáni nico cos s y de temp temper erat atur uras as elev elevad adas as,, util utiliz izad ado o para para crea crearr prod produc ucto tos s de uso uso rudo.
Key words ● Concrete: it is a mix made out of an agglutinant material, usually cement, components (sand and gravel) and water; which is used for the making of multiple elements of the construction industry. ● Reinforcement: it is an external material which is added to any structural element with the purpose of increasing its resistance and give it better mechanical stability. For concrete this reinforcement is usually steel. ● Steel: it is a metallic alloy, adaptable to the situation for which is required, and it can take the shape and position of almost any structure. ● Fibers: these are the filaments within any material composition, either it is organic or inorganic. ● Aramid: it is an artificial polymer, with high resistance to many mechanical forces and high temperatures, which is used to create hardcore use equipment. Sumario El presente artículo analiza y propone la fibra de aramida como refuerzo alternativo para el concreto estructural. Dicha fibra tiene características especiales que le permiten trabajar con el material, pues incrementa su resistencia, le otorga mayor estabilidad mecánica, y, lo más importante, lo fortalece ante la acción de un incendio, pues retarda su acción en el material, y reduce al máximo sus efectos. Para este fin, se maneja un tipo de investigación teórica, pues presenta relación entre conocimientos ya existentes, así como una hipótesis que se busca demostrar. El objetivo de este trabajo, es comprobar si la aramida es en efecto útil como material adicionado al concreto.
A continuación, se presenta el análisis detallado de esta propuesta para poner a consideración su uso en la industria de la construcción en concreto. Abstract The present article analyzes and proposes the aramid fiber as an alternative reinforcement for structural concrete. This fiber has special attributes that allows it to work along with the material, because it improves its resistance, gives it better mechanical stability, and, the most important, strengthens it against a fire, well it delays its action within the material, and reduces at the maximum its effects. With this ending purpose, I work with a theoretical investigation, since it shows the relationship between different knowledges, such as an hypothesis looking forward to be fulfilled. The goal within the investigation, is to prove if the fiber is indeed useful as an additional concrete component. Coming up, I present a detailed analysis of this proposal to put it's use in consideration for the concrete construction industry.
Introducción La tecnología del concreto es una de las áreas más importantes en la industria de la construcción, pues era presente en la mayor parte de ésta y se encuentra en innovación constante. Desde hace ya tiempo se requiere encontrar alternativas de soluciones a problemáticas e incertidumbres presentes en la industria del concreto, así como la mejora contínua en la búsqueda y aplicación de nuevas tecnologías y procesos internos de dicho estudio. Estos avances y soluciones se tienen que fundamentar con base en la evolución tecnológica, industrial, ambiental, y social de todo el entorno, pues se busca que sea de utilidad para la sociedad y se adapte a los avances actuales. En cuanto a la industria del concreto respecta, se busca innovar en los materiales utilizados para su elaboración, así como implementación de nuevas técnicas para su manejo. Uno de los avances más importantes en materia de tecnología del concreto, es la utilización de fibras como refuerzo alternativo, para sustituir los tradicionales armados de acero, pues éstos significan un mayor costo, así como perjudiciales para el medio ambiente. Dichas fibras pueden ser de carácter artificial reciclado, tales como fibras de acero desperdiciado, polímeros extraídos del desperdicio del consumo humano, o bien, de carácter natural, entre ellas encontramos fibras como la estopa de igual coco, o la fibra de caña. En el siguiente trabajo se presenta una nueva propuesta en la ya mencionada área de estudio; una fibra artificial, con características especiales, compatibles con el concreto, que le dan un aumento considerable en sus propiedades mecánicas como elemento estructural, así como el desarrollo de propiedades preventivas ante situaciones de riesgo, especialmente en un incendio.
Justificación La problemática de los incendios ha tenido lugar el toda la historia, y es bastante complicado erradicarla en su totalidad. Una de las áreas más afectadas ante estos siniestros han sido las construcciones y edificaciones, pues éstas no son lo suficiente capaces de soportar los daños que estos eventos causan. Las estructuras seguido suelen colapsar después de sufrir un daño de tal magnitud, trayendo consigo consecuencias catastróficas tanto a la economía, como a la integridad física de la sociedad. Con el tiempo se han buscado soluciones ante este problema, lamentablemente son soluciones parciales o poco efectivas. Dicho esto, con la siguiente investigación se busca encontrar una solución, que si bien puede no ser definitiva, se espera tenga un mayor impacto y sea tan duradera como para reducir al mínimo las consecuencias de los ya mencionados eventos. Referente histórico Uno de los referentes más importantes de una estructura afectada por un incendio es el Mercado Corona en Guadalajara, Jal. A lo largo de su historia, desde su fundación en 1891, ha sido víctima de 4 siniestros de ésta índole. Fue en 1919 cuando tuvo lugar el primer incendio que le hizo colapsar; años más tarde, en 1919 y 1929 respectivamente, fue víctima de dos percances más, por lo cual sufrió reconstrucciones hasta su última modificación en 1960. Por último, el 5 de mayo de 2014, se registró el siniestro más grande en la historia del inmueble. Causado por una falla eléctrica, el incendio se propagó por las tres plantas de la edificación, y causó el colapso de diversos elementos estructurales, especialmente las losas de los entrepisos, cuyas fallas causaron el derrumbe total de la edificación. Marco del estado del arte o de la técnica
“Los incendios en general producen un efecto muy complejo en las estructuras de concreto, tanto la durabilidad como las prestaciones mecánicas se afectan bajo la acción de las elevadas temperaturas. Factores como los materiales componentes de la estructura y las corrientes de aire, son algunos de los elementos a considerar que intervienen en dichos efectos en el comportamiento de la estructura.” Vidaud I. y E.. (Agosto de 2011). La acción del fuego sobre las estructuras de concreto. Construcción y Tecnología en Concreto, No. 5, Sin páginas.
De acuerdo a lo citado, entendemos que una estructura construida a partir de concreto
se
ve
afectada
de
distintas
maneras
si
sufre
algún
siniestro,
específicamente incendios. A continuación, se presenta a detalle los diversos factores involucrados para su mejor entendimiento. Dicho esto, a decir de los hermanos Vidaud, 2011, se entiende por concreto como un material de construcción heterogéneo, cuyos componentes reaccionan de manera individual a altas temperaturas. Seguidamente, se identifican los componentes del concreto estructural como: (a) agregado fino, comúnmente conocido como arena, le permite a la mezcla mejor manejabilidad, (b) agregado grueso, también conocido como grava, se añade al concreto para darle firmeza y acrecentar la dureza del material, y (c) acero estructural, que se incluye en forma de elementos armados para aumentar la resistencia interna del material, adquirir adherencia con la mezcla, y permitirle al concreto resistir esfuerzos de tensión, pues éste en su estado simple carece de elasticidad y trabaja únicamente a compresión. Ahora, se procede a analizar la tabla ‘Comportamiento en condiciones de incendio de los materiales habitualmente utilizados para estructuras de edificios’.
Por consiguiente, se entiende que, aun cuando el concreto por sí solo manifiesta mínimas consecuencias ante la acción del fuego, es el acero el que, al calentarse, afecta en mayor medida el comportamiento mecánico del material. Rectificando, el efecto de las altas temperaturas afecta a las características de resistencia y de deformación, tanto del concreto como del acero, generándose incrementos de esfuerzos, causados por las dilataciones que son transmitidos a través de los nudos rígidos de la estructura. En consecuencia, estos efectos implican que el concreto sea cada vez menos resistente, y con capacidad reducida para deformarse antes de romperse. La resistencia al fuego se determina fundamentalmente, por la protección del acero frente a un excesivo aumento de temperatura; a mayor recubrimiento mayor será el tiempo en que el elemento se mostrará resistente. Primeramente, tenemos que al ser sometido a altas temperaturas, el acero comienza a presentar indicios de fundición, dicho en otras palabras, comienza a derretirse; esto provoca que se pierda su adherencia con el concreto, generando en éste oquedades que, posteriormente, pueden presentar fisuras por esfuerzos de dilatación no previstos en el armado de acero. Acto seguido, lo que es peor, al enfriarse el acero cuando el siniestro termina, se genera un choque térmico, lo que conlleva a altas probabilidades de ruptura por dicho choque, que posteriormente pueden llevar la estructura al punto de colapso.
En segundo lugar, a consecuencia de las rupturas arriba mencionadas, se puede presentar algo conocido como “spalling”, que dicho de otra manera, lo entendemos como “desprendimiento” del recubrimiento de concreto que existe antes de llegar al armado de acero (figuras 1 y 2).
Al presentarse el spalling, se deja al descubierto el armado de acero, que si bien no había perdido por completo sus propiedades, a una exposición directa de temperaturas a partir de los 250°C, conlleva a la pérdida total de su resistencia. Por consiguiente, se entiende que al presentarse un incendio en una estructura, se debe tratar con extrema precaución al momento de neutralizarlo, pues así se busca reducir al mínimo los posibles daños que pudiese presentar la edificación. En los últimos años, el uso de fibras como refuerzo del concreto ha tenido un auge importante en los diseños y la producción de la mezcla. Sin embargo, no se trata de una técnica nueva en el mundo de la construcción; de hecho se remonta muchos años antes de la aparición del cemento Portland y del concreto, cuando se utilizaban materiales como pasto, hilo, vara, e inclusive, pelo animal, los cuales eran considerados agregados al adobe con el fin de evitar la fisuración y mejorar la resistencia a tensión. No obstante, los avances en la tecnología para la Industria de la construcción ha permitido desarrollar fibras de diversos materiales, las cuales son especialmente
resistentes a los álcalis, tales como: polipropileno, polietilenos, acero, carbono, entre otros. El rol principal de las fibras está ligado a: 1. Reducir la fisuración por asentamiento (revenimiento) 2. Reducir la fisuración por contracción plástica 3. Disminuir la permeabilidad 4. Incrementar en la resistencia a la abrasión y al impacto El aspecto más importante del desempeño mecánico para el concreto reforzado con fibras es el comportamiento a la tensión. Sin embargo, resulta complicado realizar ensayos uniaxiales de resistencia a la tensión, sobre todo si se busca conocer la respuesta del material después de aplicar la carga máxima. TIPOS DE FIBRAS • Micro fibras: Normalmente son fibras de plástico, polipropileno, polietileno nylon, que ayudan a reducir la segregación de la mezcla de concreto y previenen la formación de fisuras durante la construcción. Las longitudes de las fibras de multifilamento oscilan entre los 12 y los 75 mm.
• Macro fibras: Generalmente son de materiales como acero, vidrio, materiales sintéticos o naturales, los cuales se utilizan como refuerzo distribuido en todo el espesor del elemento y orientado en cualquier dirección. Las fibras actúan como malla electro soldada y varillas de refuerzo, incrementando la tenacidad del concreto y agregando al material capacidad de carga posterior al agrietamiento. Entre los beneficios del uso de concreto reforzado con fibras -CRF- se encuentran el incremento de la resistencia al impacto y a la fatiga. Su diámetro oscila entre los 0.25 mm y 1.5 mm con longitudes variables entre 13 mm y 70 mm.
Fibra de aramida como refuerzo para el concreto estructural Con motivos solucionar el colapso de estructuras debido a incendios se propone la fibra NOMEX – KEVLAR (K29) como refuerzo al hormigón tradicional. Existen dos tipos de aramida: las meta-aramidas y las para-aramidas. Proceso de obtención El polímero de poli-metafenileno isoftalamida se utiliza para hacer meta-aramidas y el polímero de p-fenileno tereftalamida para hacer para-aramidas. Debido a que las aramidas se descomponen antes de fundir estos son producidos por métodos de hilado en húmedo y en seco. El ácido sulfúrico es el disolvente normal utilizado en los procesos de hilado. En hilado húmedo de una solución sólida del polímero, que contiene también sales inorgánicas, se hila a través de una hilera en ácido débil o agua. En este baño las sales se filtran. En el proceso de hilado en seco, las sales son más difíciles de eliminar y este proceso sólo se utiliza para producir las fibras más débiles de meta-aramida.
Propiedades PARA-ARAMIDAS ·
Tienen una resistencia muy alta (5 veces más fuerte que el acero).
·
Poca pérdida de fuerza durante la abrasión repetida, la flexión y el estiramiento.
·
Tiene una estabilidad dimensional excelente. META-ARAMIDAS
·
Excelente estabilidad térmica.
·
Retardante de combustión.
·
Aislamiento eléctrico.
·
Estabilidad química.
·
Resistencia a la radiación. Usos META-ARAMIDAS
·
Para la ropa de protección.
·
Filtración de gas caliente.
·
Aislamiento eléctrico. PARA-ARAMIDAS La producción de fibras de aramida conocidos bajo los nombres Kevlar y Nomex. Tienen propiedades únicas y beneficiosas. Estos dos tipos de aramida son similares en su estructura básica, pero la diferencia está en su estructura, ya que el Kevlar es un para-aramida y el Nomex es una meta-aramida.
KEVLAR
Consiste en largas cadenas de poliparafenileno tereftalamida. Con la que se puede construir equipos ligeros, resistentes y a los que no les afecta la corrosión. Proceso de obtención El Kevlar solo puede ser procesado mediante el proceso de fricción en solución, el cual consiste en obtener la fibra desde el proceso de polimerización, ya que en este punto, se puede controlar a voluntad sus propiedades, cabe notar que para las fibras como el Kevlar solo es posible procesarlas como fibras, ya que su resistencia mecánica y su estructura cristalina no permite realizar otro proceso de transformado. Kevlar es una molécula cristalina que consiste en largas cadenas moleculares que son altamente orientado y muestra una fuerte unión de cadena intermolecular en la posición para. Está hecho a partir de la reacción de para-fenilendiamina (PPD) y cloruro de tereftaloilo fundido. La producción de p-fenilendiamina es difícil debido a la diazotización y el acoplamiento de la anilina. El PPD y el cloruro de tereftaloilo se hacen reaccionar mediante el uso de N-metilpirrolidona
como
disolvente
de
reacción.
La
estructura
para
el
poli-parafenilen tereftalamida se muestra a continuación. El polímero resultante se filtró, se lavó y se disolvió en ácido sulfúrico concentrado y se extruye a través de hileras. A continuación, pasa a través de un conducto estrecho y pasa por el proceso de centrifugado en húmedo donde se coagula en ácido sulfúrico. El filamento puede tomar dos caminos diferentes en este punto. El producto final puede adoptar varias formas. Puede formar filamentos, pulpa, o las hojas de hilado-atado y papeles.
Características físicas ·
Alta fuerza extensible.
·
Alargamiento bajo o rigidez estructural.
·
Conductividad eléctrica baja.
·
Alta resistencia química.
·
Contracción termal baja.
·
Alta dureza.
·
Estabilidad dimensional excelente.
·
Alta resistencia al corte.
·
Características químicas
·
Buena resistencia a disolventes y aceites.
·
Fácilmente atacables por ácidos y bases fuertes. A diferencia de la fibra de carbono y vidrio, presentan una gran absorción de humedad
en
condiciones ambientales, en detrimento de sus propiedades
mecánicas. NOMEX Es un polímero aromático sintético de poliamida. Da altos niveles eléctricos, químicos y mecánicos. Esto es lo que hace que no se contraiga, ni dilate, ni se ablande ni derrita durante la exposición a corto plazo a temperaturas tan altas como 300°C. Propiedades Es inerte a la mayoría de los disolventes, es totalmente resistente a los ácidos y álcalis.
Es compatible con barnices y pegamentos, con aceites lubricantes, y de refrigerantes. No son atacados por insectos, hongos, etc. Para finalizar, se entiende que es necesaria la búsqueda de soluciones ante éste tipo de siniestros, pues, aún cuando es el acero el que se ve mayormente afectado, no es posible retirarlo como refuerzo de una estructura ya que de ser así, existen otros factores de riesgo que pueden comprometer a las estructuras. En conclusión, propongo que se busquen materiales alternativos que actúen como refuerzo en una estructura, así como recubrimientos o aditivos que pudieran ser de utilidad en este tipo de construcciones.
Bibliografía H. Ayuntamiento de Guadalajara. (2015). Mercado Corona. Febrero de 2017, de H. Ayuntamiento
de
Guadalajara
Sitio
web:
http://mercadocorona.guadalajara.gob.mx/?q=historia H. Ayuntamiento de Guadalajara. (2015). Mercado Corona. Febrero de 2017, de H. Ayuntamiento
de
Guadalajara
Sitio
web:
http://zonaguadalajara.com/la-historia-del-mercado-corona/ Antillón, J.. (2016, Enero 04). Uso de Fibras en el Concreto. Construcción y Tecnología en Concreto, Vol. Desconocido, pp. 28-29. Frómeta, Z. Vidaud, I y E. (2015, Junio 26). Una aproximación a los concretos reforzados con fibras (Parte I). Construcción y Tecnología en Concreto, Vol. Desconocido, pp. 30-35. Frómeta, Z. Vidaud, I y E. (2015, Julio 2015). Una aproximación a los concretos reforzados con fibras (Parte II). Construcción y Tecnología en Concreto, Vol. Desconocido, pp. 34-41.
Vidaud, E.. (2016, Enero 04). Uso de fibras metálicas y naturales como adición al concreto. Construcción y Tecnología en Concreto, Vol. Desconocido, pp. 12-15.
