CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE UN GEOTEXTIL DE FIBRA DE POLIPROPILENO

R. Jubera1, A. Ridruejo1, C. González1,2 y J. Llorca1,2

1 Departamento de Ciencia de Materiales, E. T. S. de Ingenieros de Caminos. Universidad Politécnica de

Madrid y CISDEM (UPM-CSIC). C/ Profesor Aranguren, s/n, 28040, Madrid, España. E-mail: aridruejo@mater.upm.es

2 Instituto IMDEA-Materiales. C/ Profesor Aranguren, s/n, 28040, Madrid, España E-mail: carlosdaniel.gonzalez@imdea.org

RESUMEN

Los geotextiles se utilizan para la estalibización y mejora de la capacidad portante de los suelos, a la vez que permiten el paso de agua a su través. En el caso que nos ocupa, el geotextil Typar SF 32 se fabrica a partir de fibras de polipropileno mediante un proceso unión térmica. El comportamiento mecánico del material muestra una notable complejidad, puesto que a la respuesta elastoplástica de las fibras se superpone la reorientación de las mismas y la rotura de enlaces, lo que provoca cambios en la conectividad del geotextil. En el presente trabajo se efectúa una caracterización completa a tracción de las propiedades mecánicas del material. Dicha caracterización se realiza a varias temperaturas (-25ºC, 25ºC y 110ºC) y distintas velocidades de solicitación. Finalmente, el trabajo se completa con ensayos “in situ” dentro de un microscopio electrónico de barrido a dos temperaturas para estudiar los micromecanismos de deformación y rotura..

ABSTRACT

Geotextiles are used to stabilise soil and to improve its load-carrying capability while allowing the passage of water. In the present case, the Typar SF 32 geotextile is a particular case of nonwoven manufactured with polypropylene fibres through thermal bonding. The mechanical behaviour of the materials is extremely complex, because in addition to the elastic-plastic response of fibres, the fracture of fibre-to-fibre bonds changes the network connectivity and modifies the fibre orientation. In the present study, a complete tensile characterization of the mechanical properties of the material is performed. Tensile tests were performed at -25ºC, 25ºC and 110ºC and three strain rates. This work is completed by means of in-situ experiments inside a SEM in order to study the deformation and fracture micromechanisms. PALABRAS CLAVE: Geotextil, propiedades mecánicas, caracterización experimental.

1. INTRODUCCIÓN Las telas y geotextiles para ingeniería civil pertenecen a un grupo de materiales hechos exclusivamente de fibras (textiles) que han despertado un gran interés tecnológico e industrial en las últimas décadas: los nonwovens o no-tejidos. Según la Organización Europea de fabricantes EDANA [1], un nonwoven es un material formado por fibras orientadas bien direccionalmente bien al azar unidas por fricción, cohesión o adhesión, excluyendo al papel, y productos que estén tejidos, tricotados, cosidos o que incluyan hilos o filamentos de unión o que en cuya producción hayan intervenido procesos de consolidación por vía húmeda, lo que excluiría, por ejemplo, al papel.

Los textiles no tejidos encuentran múltiples aplicaciones en el ámbito sanitario, higiénico, agrícola, y edificación, pero también se extiende, cada vez más, a campos como la protección balística o frente al fuego. El comportamiento mecánico de estos materiales es sumamente complejo, ya que están involucrados mecanismos de deformación y rotura tales como grandes deformaciones, rotaciones y deslizamiento y rotura de fibras. Todo ello justifica el interés en adquirir un mayor conocimiento sobre las propiedades mecánicas de los nonwovens. No obstante, como consecuencia de haber sido una materia poco estudiada, existe escasa literatura

sobre este tema y ante el hecho de que la mayor parte de la información disponible depende únicamente de los fabricantes [1,2], queda patente la necesidad de estudiar tanto la microestructura como los mecanismos de deformación y rotura. En este artículo se presenta un estudio experimental sobre el comportamiento mecánico de un geotextil comercial. 2. MATERIAL

El material objeto de estudio es el denominado Typar SF 32, fabricado por DuPont. En la fabricación de un nonwoven se contemplan tres aspectos fundamentales: la fibra elegida, la formación de malla y la consolidación de la misma. El Typar SF se fabrica a partir de filamentos continuos de polipropileno (PP). El polipropileno es un material muy resistente a la humedad, la podredumbre y al ataque químico, especialmente frente a álcalis. En cuanto a la formación de la malla, el Typar pertenece al grupo de los denominados polymer-laid o spunlaid nonwovens, en los cuales los filamentos se depositan directamente a partir de la fibra recién obtenida, eliminando las etapas intermedias de hilado típicas de los procesos convencionales. Esto se traduce en una reducción de costes de producción. En este proceso, los gránulos de polipropileno son fundidos y extruidos. Los filamentos continuos son estirados -lo que les confiere un mayor grado de cristalinidad-, enfriados y depositados en una cinta para formar una malla uniforme. La consolidación del material es térmica. En la consolidación de este material interviene la combinación de filamentos del mismo polímero pero con diferencias en su temperatura de reblandecimiento de 3ºC. El procesado está orientado a obtener un material isótropo.

Figura 1. Microestructura del Typar SF32 obtenida mediante microscopía electrónica de barrido.

La figura 1 muestra la microestructura del material. Como puede apreciarse, las fibras, de 40μm de diámetro, se presentan aisladas o en haces de entre dos y cinco fibras.

3. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Se cortaron probetas de tracción en la dirección del rollo de 150×100 mm2, para obtener finalmente probetas cuadradas de 100 mm de anchura y distancia entre mordazas de 100 mm. La densidad de los fieltros se obtuvo a partir de la masa obtenida por pesada (balanza AND HF 1200G) y de las dimensiones de las probetas, obteniéndose un valor de 111 ± 2 g/m2, en buen acuerdo con los datos consignados por el fabricante [2]. Se realizaron ensayos de tracción a tres temperaturas: 248K (-25ºC), 298K (25ºC) y 383 K (110ºC). Estas temperaturas corresponden, respectivamente, a una temperatura (en principio) por debajo de la temperatura de transición vítrea del PP (que suele encontrarse entre los 255K y 263K), temperatura ambiente y finalmente una temperatura correspondiente al 90% de la temperatura de fusión del polipropileno (430 K). La temperatura de fusión fue confirmada mediante calorimetría digital de barrido (DSC, Mettler Toledo, sensor HSS7). En los ensayos de tracción, las máquinas utilizadas en cada caso fueron: Instron 1122 con célula de carga de 5 kN para ensayos a temperatura ambiente e Instron 8803 (célula de carga de 50 kN) a la que se acoplaba una cámara de ensayo Instron 3119 para las otras dos temperaturas. La temperatura de 383 K era alcanzada con el sistema calefactor de la propia cámara, mientras que para los ensayos a 248 K era necesario el aporte de nitrógeno líquido. En ambos casos, la temperatura se controlaba mediante termopares situados en el interior de la cámara. Los ensayos se realizaron a tres velocidades de desplazamiento diferentes: 0.08 mm/s, 0.8 mm/s y 10 mm/s. Para la observación de la microestructura y mecanismos de rotura, se utilizó un microscopio electrónico Zeiss Evo MA15, con una micromáquina de ensayos in situ Kammrath & Weiss [3].

Figura 2. Micromáquina para ensayos “in situ”. Bajo

la probeta se puede apreciar el disco calefactor.

Para estos ensayos, se cortaron y metalizaron tiras de 6mm de anchura y 24 mm de longitud, lo que proporcionaba una distancia entre mordazas de 18 mm. Se impuso una velocidad de desplazamiento de 0.1 mm/min. La micromáquina estaba dotada de una célula de carga de 1kN, excesivamente elevada para las pequeñas fuerzas a las que se producía la rotura de la probeta, por lo que las fuerzas registradas no eran representativas. La micromáquina también disponía de un pequeño disco calefactor situado bajo la probeta, que permitió realizar ensayos tanto a temperatura ambiente como a 383K (110ºC). 4. RESULTADOS 4.1. Comportamiento en tracción uniaxial. El comportamiento mecánico del geotextil se caracterizó en términos de dos propiedades mecánicas obtenidas a partir del registro tensión-deformación de los ensayos. En primer lugar la tensión de rotura o resistencia a tracción del nonwoven. En segundo lugar, se define la energía absorbida como el cociente entre el área bajo la curva fuerza-desplazamiento y el área plana de la probeta. La figura 3 muestra las curvas tensión-deformación ingenieril características del geotextil a temperatura ambiente y velocidad nominal de deformación igual a 0.008 s-1 (correspondiente a la velocidad de desplazamiento de carro de 0.8 mm/s).

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Figura 3. Curvas tensión-deformación características del material a temperatura ambiente y velocidad

nominal de deformación de 0.008 s-1. Distinguimos las probetas que muestran una rotura gradual (línea gris punteada) de aquellas donde se produce localización y

existen caídas abruptas de tensión (línea negra continua)

En ella puede apreciarse que el comportamiento inicial es lineal, si bien presenta una pérdida de linealidad aproximadamente al alcanzar deformaciones del 10%. Las curvas presentan su máximo de resistencia para deformaciones del orden del 40%, momento a partir del cual muestran un decaimiento gradual que en ocasionas es interrumpido por caídas repentinas. Este comportamiento después del máximo nos permite distinguir precisamente dos poblaciones distintas. Por un lado, tenemos una serie de muestras (línea gris punteada en la Fig. 3) que rompen progresivamente, sin saltos, y por otro lado, el resto de probetas sí experimentan localización y se producen caídas bruscas de carga seguidas de una pequeña recarga. El tamaño relativo de ambas poblaciones es aproximadamente similar. Las llamativas diferencias de comportamiento entre ambas poblaciones motivaron la extensión de los ensayos para tener en cuenta los efectos, en principio contrapuestos, de temperatura y velocidad de deformación. En la figura 4 se muestran las curvas tensión-deformación ingenieril de las probetas de Typar SF 32 ensayadas a baja temperatura (-25ºC) y velocidad de deformación más elevada (0.1 s-1). En estas condiciones, la pérdida de linealidad inicial se produce antes, en torno a un 2% de deformación, y el máximo de resistencia a deformaciones entre el 15% y el 20%. La caída de tensión es, muy frecuentemente, prácticamente vertical desde el máximo de resistencia hasta cero, sin que exista ningún tipo de recarga.

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Deformación Figura 4. Curvas tensión-deformación características del material a 248 K (-25ºC) y velocidad nominal de

deformación de 0.1 s-1.

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Deformación

Figura 5. Curvas tensión-deformación características del material a 383 K (110ºC) y velocidad nominal de

deformación de 8×10-4 s-1.

A alta temperatura (110ºC) y con la velocidad de deformación más reducida (8×10-4 s-1), el material presenta un comportamiento lineal hasta alcanzar deformaciones en torno a un 10%, donde se produce un cambio de pendiente. Esta segunda pendiente se prolonga hasta que se alcanza el máximo de resistencia a deformaciones de entre un 100% y un 150%, seguido de una caída suave de la tensión. La cola de las curvas dejó de registrarse a deformaciones del 240%, por agotamiento del recorrido del actuador. Por simplicidad, en las figuras 4 y 5 se han representado las curvas correspondientes a los casos más extremos. En la figura 4 (baja temperatura, velocidad de deformación elevada) nos encontramos en las condiciones más favorables para encontrar un comportamiento frágil en todas las probetas, mientras que la figura 5 (alta temperatura, baja velocidad de deformación) nos muestra un comportamiento esencialmente dúctil, sin que se dé apenas localización y fallo brusco. El resto de combinaciones de temperatura y velocidad de deformación presentan casos intermedios. Los registros de resistencia obtenidos para todas las combinaciones de temperatura y velocidad de deformación se exponen en la tabla 1. Tabla 1. Resistencia (tensión máxima) de probetas de Typar SF 32 para distintas combinaciones de temperatura y velocidad nominal de deformación

Resistencia (kN/m) e =8×10-4 s-1 e =8×10-3 s-1 e =0.1 s-1

T = 248 K 8.2 ± 0.3 7.6 ± 0.5 6.6 ± 0.5

T = 298 K 6.0 ± 0.3 6.0 ± 0.2 5.6 ± 0.2

T = 383 K 2.9 ± 0.3 3.5 ± 0.1 4.1 ± 0.2

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Temperatura (K) Figura 6. Tensión máxima en función de la temperatura

para tres velocidades nominales de deformación. La figura 6 ayuda a visualizar los datos de la Tabla 1. Como puede apreciarse, la resistencia del geotextil disminuye con la temperatura para cada velocidad de deformación, si bien esta disminución es más acusada para velocidades de deformación bajas. De hecho, a baja temperatura, los valores de resistencia más elevados se dan a la velocidad de deformación baja, mientras que a alta temperatura el fenómeno observado es el opuesto. A temperatura ambiente, los registros de resistencia correspondiente a las tres velocidades de deformación son muy próximos entre sí. Del mismo modo, los valores correspondientes a la energía absorbida por unidad de área del material se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Energía por unidad de área absorbida por las probetas de Typar SF 32 para distintas combinaciones de temperatura y velocidad nominal de deformación

Energía (kJ/m2) e =8×10-4 s-1 e =8×10-3 s-1 e =0.1 s-1

T = 248 K 3.0±0.5 2.0 ±0.2 1.6±0.3

T = 298 K 3.9±0.2 3.7± 0.2 2.0±0.1

T = 383 K 4.0±0.1 3.6±0.1 2.8±0.2

En la figura 7 se representan dichos valores frente a la temperatura, donde se observa que la energía absorbida disminuye con la velocidad de ensayo para una temperatura dada. Asimismo, se distinguen dos tendencias. La primera es la marcada por los ensayos a mayor velocidad, según la cual la energía absorbida crece monótonamente con la temperatura. La segunda tendencia es compartida por los ensayos a velocidades intermedias y lentas. En este caso, no existe una diferencia significativa entre las energías absorbidas a temperatura ambiente y a 383 K (110ºC), pero sí se re-

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Figura 7. Energía absorbida por unidad de área en función de la temperatura para tres velocidades

nominales de deformación. duce notablemente al pasar de temperatura ambiente a 248 K (-25ºC), en especial a la velocidad de deformación intermedia ( e =8×10-3 s-1). 4.2. Ensayos “in situ” Los ensayos dentro del microscopio electrónico de barrido fueron realizados para identificar los mecanismos de deformación y rotura del material. La velocidad de deformación de las probetas en el interior del dispositivo era ligeramente inferior a 1×10-4 s-1.

Figura 8. Micrografía del material a 300x. Las decohesiones entre fibras se pueden observar fácilmente, puesto que al no estar metalizadas, acumulan carga y aparecen como puntos brillantes (zonas marcadas por los óvalos). La existencia de deformación plástica se aprecia en el agrietamiento del recubrimiento metálico, menos deformable que las fibras de polipropileno (flechas).

Las decohesiones comenzaban a deformaciones muy bajas (en torno al 2.5-3%) y suponen el mecanismo de daño predominante [3]. Una vez que las fibras rotaban y quedaban alineadas con la tensión (eje vertical en las figuras 8 y 9), se producía la deformación plástica. No se observaron roturas de fibras, pero la presencia de este fenómeno no puede descartarse completamente, en especial porque la pequeña anchura de las probetas provocaba un efecto de borde no completamente despreciable.

Figura 9. Micrografía tomada a una deformación ingenieril del 65% durante un ensayo a 110ºC. Nótese el predominio de fibras ya alineadas con la carga, la abundancia de uniones decohesionadas, así como la

gran deformación plástica de algunas fibras.

Los ensayos a 110ºC produjeron resultados cualitativamente similares a los de temperatura ambiente en cuanto a la identificación de los micromecanismos de deformación y fractura, con la diferencia de que el mecanismo de deformación plástica se activaba antes y presentaba efectos más patentes. 5. DISCUSIÓN Los resultados de los ensayos “in situ” permite reinterpretar las curvas tensión-deformación a la luz de los micromecanismos de deformación y rotura. Según esto, a temperatura ambiente, el geotextil se va cargando elásticamente hasta que pierde la linealidad por la acumulación de daño por la rotura dispersa de los enlaces entre fibras, lo que ya conlleva ciertos reajustes (rotación de las fibras y recarga de otras uniones). Posteriormente alcanza el máximo de carga, se sigue acumulando el daño, y es entonces cuando, en general con velocidades de deformación más bien elevadas, se localiza la deformación en cierta sección de la probeta. En ese momento, dicha zona colapsa, con la consiguiente caída brusca de la carga. Este proceso, puede repetirse varias veces, pero el material es capaz de reorganizarse sin perder completamente su capacidad portante gracias a que existen tanto uniones

supervivientes y fibras que puentean la zona de localización, como a cierta contribución debida a la fricción entre fibras. Si la velocidad de solicitación es más baja, el mecanismo de daño por descohesión sigue actuando gradualmente. A cada rotura de unión le sucede la reorganización del entorno, sin que se acumule energía elástica suficiente como para desencadenar un fallo colectivo de un número elevado de enlaces entre fibras. Este proceso de daño progresivo y reajuste del material conduce a una caída suave de la tensión, a la presencia de una cola alargada de la curva tensión-deformación y a una absorción de energía relativamente elevada por parte del material. Despreciando la rotura de fibras, la velocidad de deformación, por tanto, establecería un equilibrio entre la tasa de energía elástica en fibras y uniones y la que se va disipando por la rotura progresiva de dichas uniones y por deformación plástica en las fibras. Si la energía elástica no se acumula demasiado rápidamente, el daño se mantiene disperso. En caso contrario, en una zona determinada (la de localización), un gran número de uniones falla colectivamente y ocasiona una caída abrupta de la carga. El efecto de una temperatura elevada es el de disminuir la rigidez de fibras y uniones, facilitando los mecanismos de deformación plástica. Esto inhibe la acumulación de energía elástica, favorece la reorganización microestructural del material e incluso podría aumentar la fricción entre las fibras (ver figura 8). Macroscópicamente, se alcanzan valores menores de tensión, la ductilidad del material aumenta claramente y la rotura del material tiende a ser progresiva. El material no pierde su capacidad portante hasta deformaciones muy elevadas. Lógicamente, el reducir la temperatura conlleva los efectos contrarios. Pese a que el grado de cristalinidad de las fibras y la posible presencia de humedad no permitan determinar la existencia de una transición vítrea bien marcada en las propiedades mecánicas del material, en general las bajas temperaturas aumentan la rigidez y fragilidad del polímero. Así, y en especial cuando el material se somete a velocidades de deformación más elevadas, se favorece la acumulación de energía elástica, y la localización del daño, con consecuencias macroscópicas de valores elevados de resistencia, menor ductilidad y caídas bruscas de la tensión. A pesar de ello, la estructura del material hace que los mecanismos característicos de los nonwovens (dispersión no local de las tensiones, efecto de umbral para el radio de entalla, puenteo de la zona de localización, etc. [4,5]), permitan a este material alcanzar valores razonablemente elevados de energía absorbida hasta rotura final. 6. CONCLUSIONES Se ha estudiado el comportamiento mecánico del geotextil comercial Typar SF 32, compuesto de fibra

continua de polipropileno. Mediante ensayos a tracción, se han caracterizado sus propiedades mecánicas, y en particular se ha medido tanto la resistencia a tracción como la energía absorbida durante la deformación en distintas condiciones de temperatura y de velocidad de deformación. Los ensayos in situ dentro de un microscopio electrónico de barrido permitieron establecer los micromecanismos de deformación y rotura a temperatura ambiente y 110ºC. Pese a que estos mecanismos (rotura de uniones entre fibras, reorientación de fibras, deformación plástica de fibras y fricción entre las mismas) estaban presentes en ambos casos, la activación e importancia relativa de cada uno dependen de la temperatura y velocidad de solicitación. Finalmente, se han interpretado las curvas tensión-deformación y los valores medidos a la luz de los micromecanismos de deformación y rotura y de los efectos contrapuestos de la temperatura y la velocidad de deformación.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al Prof. Carl Boehlert su ayuda en la realización de los ensayos in situ dentro del microscopio electrónico de barrido. Asimismo, agradecen a la empresa DuPont de Nemours, S.à.r.l., el material cedido para la realización del presente estudio y a la Comunidad de Madrid la financiación a través del programa ESTRUMAT

REFERENCIAS

[1] Russell, S. (ed.) Handbook of Nonwovens. CRC-The

Textile Institute-Woodhead Publishing (2007) [2] Du Pont de Nemours S.à.r.l. Typar datasheet.

http://www.typargeo.com/pdf/datasheet_europe_en.pdf (2007)

[3] Ridruejo, Á., González, C. y LLorca, J.

Micromechanisms of deformation and fracture of polypropylene nonwoven fabric. Int. J. of Solids and Structures, 48 (2011), pp. 153-162.

[4] Isaksson, P., Hagglund, R., Strain energy

distribution in a crack-tip region in random fiber networks. International Journal of Fracture, 156 (2009), pp. 1–9.

[5] Isaksson, P., Gradin, P., y Kulachenko, A., The

onset and progression of damage in isotropic paper sheets. Int. J. of Solids and Structures, 43 (2006), pp. 713–726.