UNIVERSIDAD DE CHILE
Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas
Departamento de Ingeniera de los Materiales
Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con
Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra
Adicionado
Alumno: Jos Patricio Bravo Celis
Profesor Gua: Sr. Patricio Jorquera E.
Profesor Co-Gua: Sr. Gerardo Daz R.
Profesor Integrante: Sr. Eduardo Donoso C.
Fecha: Martes 09 de diciembre de 2003.
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra
Adicionado
El presente trabajo de ttulo tuvo como objetivo estudiar la influencia de la
incorporacin de fibra de vidrio en hormigones de uso general, en las propiedades
mecnicas del hormign.
En la investigacin se realizaron ensayos comparativos entre un hormign patrn,
que no contena fibras y hormigones con distinto porcentaje de fibra adicionado. La fibra
adicionada oscil entre el 0,05% y el 0,4% en peso del hormign. El hormign patrn tena
una calidad nominal, expresada como resistencia a la compresin a los 28 das, de 250
kgf/cm2. Las propiedades del hormign que se estudiaron fueron la trabajabilidad, la
resistencia a la compresin y la resistencia a la flexotraccin.
En el hormign en estado fresco se determin que, con la incorporacin de fibras, la
trabajabilidad disminuye entre un 20% y un 1%, con respecto al hormign patrn,
dependiendo de la cantidad de fibra adicionada. A mayor cantidad de fibra adicionada
menor es la trabajabilidad del hormign.
En el hormign endurecido se logr determinar que la adicin de fibras de vidrio no
tiene mayor influencia en el aumento de la resistencia a la compresin del hormign, y que
por el contrario, el aumento de la cantidad de fibra de vidrio presente en la mezcla de
hormign incide directamente en el aumento de la resistencia a la flexotraccin de ste,
cumplindose que a mayor porcentaje de fibra de vidrio adicionado, mayor es el aumento
de la resistencia a la flexotraccin.
Del anlisis de los resultados de la presente investigacin unido a la investigacin
bibliogrfica, se desprende que algunas de las aplicaciones prcticas del hormign
reforzado con fibras de vidrio seran las losas, los pavimentos industriales y el
revestimiento de tneles.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
INDICE pgina
INTRODUCCIN ________________________________________________________ 6
Captulo 1 _______________________________________________________________ 7
ANTECEDENTES TERICOS______________________________________________ 7
1.1 Materiales Compuestos________________________________________________ 7
1.1.1 Introduccin_____________________________________________________ 7
1.1.2 Materiales Compuestos Reforzados con Partculas_______________________ 9
1.1.3 Materiales Compuestos Estructurales ________________________________ 10
1.1.4 Materiales Compuestos Reforzados con Fibras_________________________ 11
1.2 Conceptos Generales del Comportamiento Mecnico de Materiales Reforzados con
Fibras _______________________________________________________________ 12
1.2.1 Influencia de la Longitud de la Fibra_________________________________ 12
1.2.2 Influencia de la Orientacin y de la Concentracin de la Fibra ____________ 13
1.2.2.1 Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar___ 14
1.2.3 Fase Fibrosa____________________________________________________ 16
1.2.4 Fase Matriz ____________________________________________________ 18
1.3 Fibra de Vidrio _____________________________________________________ 19
1.3.1 Tipos de Vidrio _________________________________________________ 19
1.4 La Fibra de Vidrio A. R.______________________________________________ 22
1.4.1 Historia _______________________________________________________ 22
1.4.2 Fabricacin ____________________________________________________ 24
1.5 Fabricacin de un GRC ______________________________________________ 31
1.5.1 Elementos Constituyentes _________________________________________ 31
1.5.2 Procesos de Fabricacin de un GRC. ________________________________ 33
1.5.2.1 Procesos de Proyeccin Simultnea ______________________________ 33
1.5.2.2 Procesos de Premezcla ________________________________________ 34
1.5 Caractersticas Mecnicas, Fsicas y Qumicas de un GRC ___________________ 36
1.7 Ventajas competitivas del GRC ________________________________________ 39
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.8 Cualidades del GRC _________________________________________________ 40
1.9 Principales Aplicaciones del GRC ______________________________________ 41
Captulo 2 ______________________________________________________________ 44
PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIN Y PROGRAMA DE ENSAYOS ____ 44
2.1 Introduccin _______________________________________________________ 44
2.2 Objetivos__________________________________________________________ 44
2.2.1 Objetivo General ________________________________________________ 44
2.2.2 Objetivos Especficos ____________________________________________ 45
2.2 Variable a Estudiar en el Desarrollo Experimental _________________________ 45
2.3 Programa de Ensayos ________________________________________________ 45
2.4 Descripcin de los Ensayos ___________________________________________ 47
2.4.1 Trabajabilidad __________________________________________________ 47
2.4.3 Compresin ____________________________________________________ 48
2.4.4 Flexotraccin ___________________________________________________ 50
Captulo 3 ______________________________________________________________ 52
DESARROLLO DE LA ETAPA EXPERIMENTAL ____________________________ 52
3.1 Materiales _________________________________________________________ 52
3.1.1 ridos ________________________________________________________ 52
3.1.1.1 Determinacin de Impurezas en las Arenas para Hormigones__________ 53
3.1.2 Cemento_______________________________________________________ 54
3.1.3 Fibras de Vidrio lcali-Resistentes__________________________________ 54
3.1.4 Agua _________________________________________________________ 55
3.1.5 Aditivo _______________________________________________________ 56
3.2 Dosificacin y Confeccin del Hormign ________________________________ 56
3.2.1 Dosificacin del Hormign Patrn __________________________________ 56
3.2.2 Confeccin del Hormign _________________________________________ 57
3.2.3 Programacin de las Coladas_______________________________________ 59
3.3 Tipologa de Probetas Fabricadas en Obra________________________________ 60
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3.3.1 Fabricacin de Probetas Cbicas para Ensayos de Compresin ____________ 61
3.3.2 Fabricacin de Probetas Prismticas para Ensayos de Flexotraccin ________ 61
3.3.3 Curado Inicial y Desmolde de las Probetas____________________________ 61
3.3.4 Identificacin de las Probetas ______________________________________ 62
3.3.5 Curado de las Probetas en el Laboratorio _____________________________ 62
3.4 Desarrollo de los Ensayos ____________________________________________ 64
3.4.1 Ensayo de Trabajabilidad _________________________________________ 64
4.3.2 Ensayo de Compresin ___________________________________________ 65
4.3.3 Ensayo de Flexotraccin __________________________________________ 65
Captulo 4 ______________________________________________________________ 67
ANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOS _________________________ 67
4.1 Ensayo de Trabajabilidad _____________________________________________ 67
4.2 Ensayo de Compresin _______________________________________________ 69
4.3 Ensayo de Flexotraccin______________________________________________ 74
Captulo 5 ______________________________________________________________ 77
CONCLUSIONES _______________________________________________________ 77
5.1 El Hormign en Estado Fresco_________________________________________ 77
5.2 El Hormign Endurecido _____________________________________________ 78
5.3 Posibles Usos del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio _________________ 78
5.4 Comparacin con Otras Fibras de Refuerzo_______________________________ 79
5.5 Propuesta de Trabajos Futuros _________________________________________ 80
BIBLIOGRAFA ________________________________________________________ 81
ANEXOS ______________________________________________________________ 87
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
INTRODUCCIN
Los materiales aglomerantes, en la forma de hormigones o morteros, son
atractivos para su uso como materiales de construccin, dado su bajo costo, su durabilidad
y su adecuada resistencia a la compresin para un uso estructural. Adicionalmente, en el
estado fresco ellos son fcilmente moldeables a las formas ms complejas que sean
requeridas. Su defecto radica en sus caractersticas de baja resistencia a la traccin y a los
impactos, y a su susceptibilidad a los cambios de humedad. Un reforzamiento mediante
fibras puede ofrecer un conveniente, prctico y econmico mtodo para superar estas
deficiencias.
La adicin de fibras como refuerzo de hormigones, morteros y pasta de cemento
pueden incrementar muchas de las propiedades de stos, destacando entre ellas, la
resistencia a la flexin, tenacidad, fatiga, impacto, permeabilidad y resistencia a la abrasin
[1].
En el caso especfico del refuerzo del hormign con fibra de vidrio se han
obtenido buenos resultados cuando se trata de morteros de ridos finos [2], utilizndose en
distintas aplicaciones, tales como, paneles antirruido y paneles de fachadas de
edificaciones, dadas su fcil instalacin y su poco peso. El material utilizado para la
fabricacin de dichos paneles es conocido como GRC (Glass Reinforced Concrete).
Las fibras de vidrio utilizadas para el refuerzo del hormign son del tipo lcali-
resistente; de esta forma se evita la formacin del gel lcali-silicato con los consiguientes
efectos negativos de durabilidad de la fibra.
En el presente trabajo se estudiar la influencia del porcentaje de fibra de vidrio
en las propiedades mecnicas del hormign.
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Captulo 1
ANTECEDENTES TERICOS
1.1 Materiales Compuestos
1.1.1 Introduccin
La mayora de las tecnologas modernas requiere materiales con una combinacin
inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cermicas y los
polmeros convencionales.
Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se
han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos
(composites). En trminos generales, se considera que un material compuesto es un
material multifase que conserva una proporcin significativa de las propiedades de las fases
constituyentes [3]de manera que presente la mejor combinacin posible. De acuerdo con
este principio de accin combinada, las mejores propiedades se obtienen por la
combinacin razonada de dos o ms materiales diferentes.
Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que
consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rgido llamado lignina. El
hueso es un material compuesto formado por colgeno, una protena resistente pero blanda,
y por apatito, un mineral frgil.
En el presente contexto, un material compuesto es un material multifase obtenido
artificialmente, en oposicin a los que se encuentran en la naturaleza. Adems, las fases
constituyentes deben ser qumicamente distintas y separadas por una interfaz.
7
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
La mayora de los materiales compuestos se han creado para mejorar la
combinacin de propiedades mecnicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la
traccin a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas.
La mayor parte de los materiales compuestos estn formados por dos fases; una,
llamada matriz, es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las
propiedades de los compuestos son funcin de las propiedades de las fases constituyentes,
de sus proporciones relativas y de la geometra de las fases dispersas1.
Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres
divisiones (Fig. 1.1): compuestos reforzados con partculas, compuestos reforzados con
fibras y compuestos estructurales; adems, existen dos subdivisiones para cada una. Se
debe mencionar que la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con fibras
tienen una relacin longitud-dimetro2 muy alta.
Figura 1-1. Clasificacin de los Materiales Compuestos (Callister, 1996).
1 Se refiere a la forma, tamao, distribucin y orientacin de la fase dispersa. 2 Tambin conocida como Relacin de Aspecto o Factor de Forma, definido matemticamente como la longitud de la fibra divida por su dimetro equivalente (dimetro de un crculo de rea igual al rea de la seccin transversal de la fibra).
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.1.2 Materiales Compuestos Reforzados con Partculas
Los materiales compuestos reforzados con partculas se subdividen en reforzados
con partculas grandes y consolidados por dispersin (Figura 1-1). Esta distincin se
fundamenta en el mecanismo de consolidacin o de reforzamiento. El trmino" grande" se
utiliza para indicar que las interacciones matriz-partcula no se pueden describir a nivel
atmico o molecular, sino mediante la mecnica continua. En la mayora de los materiales
compuestos la fase dispersa es ms dura y resistente que la matriz y las partculas de
refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada
partcula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partculas, las
cuales soportan una parte de la carga. El grado de reforzamiento o de mejora del
comportamiento mecnico depende de la fuerza de cohesin en la interfaz matriz-partcula.
Un material compuesto con partculas grandes es el hormign, formado por
cemento (matriz) y arena o grava (partculas).
El reforzamiento es tanto ms efectivo cuanto ms pequeas sean las partculas y
cuanto mejor distribuidas estn en la matriz. Adems, la fraccin de volumen de las dos
fases influye en el comportamiento; las propiedades mecnicas aumentan al incrementarse
el contenido de partculas. Se formulan dos expresiones matemticas para relacionar el
mdulo elstico con la fraccin de volumen de las fases constituyentes de un material
compuesto de dos fases [4]. Las ecuaciones de la regla de las mezclas predice que el valor
del mdulo elstico estar comprendido entre un mximo
c m m pE E V E Vp= + (1.1) y un mnimo
m pcm p p m
E EE
V E V E= + (1.2)
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
En estas expresiones, E y V representan el mdulo elstico y la fraccin de
volumen, respectivamente, mientras los subndices c, m y p significan material compuesto,
matriz y fase-partcula.
Las partculas de los materiales compuestos consolidados por dispersin
normalmente son mucho ms pequeas: los dimetros tienen de 10 a 100 nm. Las
interacciones matriz-partcula que conducen a la consolidacin ocurren a nivel atmico o
molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeas
partculas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo
se restringe la deformacin plstica de tal manera que aumenta el lmite elstico, la
resistencia a la traccin y la dureza.
1.1.3 Materiales Compuestos Estructurales
Un material compuesto estructural est formado tanto por materiales compuestos
como por materiales homogneos y sus propiedades no slo dependen de los materiales
constituyentes sino de la geometra del diseo de los elementos estructurales. Los
compuestos laminares, los cuales poseen una direccin preferente con elevada resistencia
(tal como ocurre en la madera), y los paneles sndwich, que poseen caras externas fuertes
separadas por una capa de material menos denso, o ncleo (ver figura 1-2), son dos de los
compuestos estructurales ms comunes.
10
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-2. Diagrama esquemtico de la fabricacin de un panel sndwich con un ncleo en panal [5].
1.1.4 Materiales Compuestos Reforzados con Fibras
Tecnolgicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de
fibras son los ms importantes. A menudo se disean materiales compuestos reforzados con
fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas
caractersticas se expresan mediante los parmetros resistencia especfica y mdulo
especfico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la
traccin y el peso especfico y entre el mdulo de elasticidad y el peso especfico.
Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se
fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y mdulos especficos
excepcionalmente elevados.
Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud
de la fibra. Una descripcin detallada de este tipo de materiales se muestra a continuacin
en el apartado 1.2 de esta Memoria.
11
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.2 Conceptos Generales del Comportamiento Mecnico de Materiales Reforzados
con Fibras
1.2.1 Influencia de la Longitud de la Fibra
Las caractersticas mecnicas de los compuestos reforzados con fibras dependen
no slo de las propiedades de la fibra, sino tambin del grado en que una carga aplicada se
transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de transmisin de carga es
muy importante la magnitud de la unin en la interfaz de las fases matriz y fibra. Al aplicar
un esfuerzo de traccin, la unin fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz
se genera un patrn de deformacin como el que se muestra en la Figura 1-3; en otras
palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisin de carga desde la matriz.
Figura 1-3. Patrn de deformacin en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de traccin.
Existe una longitud de fibra crtica para aumentar la resistencia y la rigidez del
material compuesto. Esta longitud crtica lc depende del dimetro d de la fibra, de la
resistencia a la traccin f y de la resistencia de la unin matriz-fibra (o resistencia al cizalle de la matriz), c , de acuerdo con
fcc
dl
= (1.3)
12
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
La longitud crtica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de
carbono es del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el dimetro de la fibra
[6].
En la presente investigacin, el dimetro de fibra que se utilizara corresponde a 14
m y su largo ser de 12 mm [7], la resistencia a la traccin de la fibra de vidrio corresponde a 1,7 GPa [8] y la resistencia al cizalle de la matriz corresponde a 125 Kgf/cm2
(1,25 x 10-2 GPa) [9]. Utilizando la ecuacin 1.3, se obtiene que la longitud crtica para esta
investigacin corresponde a lc = 1,9 mm.
Las fibras con l lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y las fibras
de menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de
longitud significativamente menor que lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra de
modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de la fibra
es insignificante.
1.2.2 Influencia de la Orientacin y de la Concentracin de la Fibra
La disposicin u orientacin relativa de las fibras y su concentracin y
distribucin influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales
compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientacin existen dos situaciones
extremas: (1) alineacin paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineacin al
azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (Figura 1-4a), mientras que las fibras
discontinuas se pueden alinear (Figura 1-4b) o bien se pueden orientar al azar (Figura 1-4c)
o alinearse parcialmente.
En el caso de esta investigacin, dado el largo de la fibra de vidrio l, equivalente a
12 mm, se tiene que l 6 lc, con lc longitud crtica de la fibra. Es decir, se tiene una fibra discontinua o fibra corta. Adems esta fibra estar orientada al azar [10].
13
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-4. Representaciones esquemticas de compuestos reforzados con fibras (a) continuas y alineadas, (b) discontinuas y alineadas y (c) discontinuas y orientadas al azar.
1.2.2.1 Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar,
stas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo est representado en la
Figura 1-4c. En estas circunstancias, el mdulo elstico se expresa mediante una regla de
las mezclas:
c f f mE KE V E Vm= + (1.4) donde: K = Parmetro de eficiencia de la fibra (tpicamente comprendido entre 0,1 y 0,6).
E = Mdulo elstico (f se refiere a la fibra y m a la matriz).
V = Fraccin de volumen.
El mdulo elstico de los materiales reforzados, tanto si las fibras estn alineadas
como si estn orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fraccin de volumen de la
fibra. En la Tabla 1-1 se indican algunas propiedades mecnicas de los policarbonatos no
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar. Esta tabla da
una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante reforzamiento.
Tabla 1-1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar.
Reforzado con fibra (% volumen)Propiedades No Reforzado
20 30 40
Gravedad Especfica 1.19 1.22 1.35 1.43 1.52
Resistencia a la Traccin (MPa) 59 62 110 131 159
Mdulo de Elasticidad (MPa) 2240 2345 5930 8620 11590
Elongacin (%) 90 115 4 6 3 5 3 5
Fuente: Adaptado de Materials Engineerings Materials Selector. Copyright/IPC, 1988.
En la Tabla 1-2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias
situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la direccin paralela a
la alineacin y cero en la direccin perpendicular.
Tabla 1-2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado
en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones.
Orientacin de la fibra Direccin del esfuerzo Eficiencia del reforzamientoParalela a las fibras 1 Todas las fibras paralelas Perpendicular a las fibras 0
Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en un plano especfico
Cualquier direccin en el plano de las fibras 3/8
Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en el espacio de tres dimensiones
Cualquier direccin 1/5
Fuente: H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhague: Akademisk Forlag, 1964, pg 64.
En las aplicaciones en las que las fibras estn sometidas a esfuerzos totalmente
multidireccionales normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la
15
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
matriz. La Tabla 1-2 muestra que la eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es
slo la quinta parte de la eficacia correspondiente a los compuestos cuyas fibras estn
alineadas en la direccin longitudinal; sin embargo, las propiedades mecnicas son
isotrpicas [11].
Las consideraciones sobre la orientacin y la longitud de las fibras de un
compuesto particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del costo
de fabricacin. Las velocidades de produccin de compuestos con fibras cortas (alineadas y
orientadas al azar) son rpidas y se pueden conformar piezas de formas intrincadas que no
son posibles con refuerzos de fibras continuas. Adems, los costos de fabricacin son
mucho ms bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas.
1.2.3 Fase Fibrosa
Una importante caracterstica de muchos materiales, especialmente los frgiles, es
que las fibras con dimetros pequeos son mucho ms resistentes que el material macizo.
Como es sabido, la probabilidad de la presencia de una imperfeccin superficial crtica que
conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el volumen especfico [12]. Este fenmeno
se utiliza con ventaja en los compuestos reforzados con fibras. El material utilizado como
fibra de refuerzo debe tener alta resistencia a la traccin.
En funcin de sus dimetros y caractersticas, las fibras se agrupan en tres
categoras diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy
delgados que tienen una relacin longitud-dimetro muy grande. Como consecuencia de su
pequeo dimetro, tienen alto grado de perfeccin cristalina y estn prcticamente libres de
defectos, y por ello tienen resistencias excepcionalmente elevadas. Los whiskers pueden ser
de grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y xido de aluminio. En la Tabla 1-3 se dan
algunas caractersticas mecnicas de estos materiales.
16
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 1-3. Caractersticas de materiales reforzados con fibras.
Material
Peso
especfico
(g/cm3)
Resistencia
a la traccin
(GPa)
Resistencia
especfica
(GPa)
Mdulo
elstico
(GPa)
Mdulo
especfico
(GPa)
Whiskers
Grafito 2.2 20 9.1 690 314
Carburo de silicio 3.2 20 6.3 480 150
Nitruro de silicio 3.2 14 4.4 380 119
xido de aluminio 3.9 14 28 3.6 7.2 415 550 106 141
Fibras
Aramida (Kevlar 49) 1.4 3.5 2.5 124 89
Vidrio E 2.5 3.5 1.4 72 29
Carbono3 1.8 1.5 5.5 0.8 3.1 150 500 83 278
xido de aluminio 3.2 2.1 0.7 170 53
Carburo de silicio 3.0 3.9 1.3 425 142
Alambres Metlicos
Acero alto en
carbono 7.8 4.1 0.5 210 27
Molibdeno 10.2 1.4 0.14 360 35.3
Tungsteno 19.3 4.3 0.22 400 20.7
Fuente: Adapatado de Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, W. Callister, 1996.
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen
dimetros pequeos; los materiales fibrosos son generalmente polmeros o cermicas (p.ej.,
aramida, vidrio, carbono, boro, xido de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 1-3
tambin indica algunos datos de varios materiales utilizados como fibras.
3 Para designar estas fibras se utiliza el trmino carbono en vez de grafito, ya que estn compuestas de regiones de grafito cristalino y tambin de material no cristalino y de reas con cristales defectuosos.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Los alambres tienen dimetros relativamente grandes; los materiales tpicos son el
acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de
acero en los neumticos de automvil, filamentos internos de los recubrimientos de cohetes
espaciales y paredes de mangueras de alta presin.
1.2.4 Fase Matriz
La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En
primer lugar, une las fibras y acta como un medio que distribuye y transmite a las fibras
los esfuerzos externos aplicados; slo una pequea fraccin del esfuerzo aplicado es
resistido por la matriz. Adems, la matriz debe ser dctil y, por otra parte, el mdulo
elstico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz
protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasin mecnica o de
reacciones qumicas con el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos
superficiales capaces de originar grietas, que podran producir fallos con esfuerzos de
traccin relativamente bajos. Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su
relativa blandura y plasticidad, impide la propagacin de grietas de una fibra a otra, que
originara fallos catastrficos; en otras palabras, la matriz acta como una barrera que evita
la propagacin de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la rotura total del
material compuesto no ocurrir hasta que se hayan roto gran nmero de fibras adyacentes,
que forman un agregado de tamao crtico.
Es esencial que la adherencia de la unin entre fibra y matriz sea elevada para
minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unin tiene gran
importancia en el momento de seleccionar la combinacin matriz-fibra. La resistencia a la
traccin final del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unin; una
unin adecuada es esencial para optimizar la transmisin de esfuerzos desde la matriz a las
fibras.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.3 Fibra de Vidrio
La fibra de vidrio es un material compuesto consistente en fibras continuas o
discontinuas de vidrio embebidas en una matriz plstica [13]; este compuesto se produce en
gran cantidad. El vidrio se utiliza como material de refuerzo debido a las siguientes
razones:
a. Es fcilmente hilable en fibras de alta resistencia.
b. Es fcilmente disponible y se puede aplicar econmicamente para producir plstico
reforzado con vidrio utilizando una gran variedad de tcnicas de fabricacin de
materiales compuestos.
c. Cuando est embebida en una matriz plstica produce un compuesto con muy alta
resistencia especfica.
d. Cuando est unido a varios plsticos se obtienen materiales compuestos
qumicamente inertes muy tiles en una gran variedad de ambientes corrosivos.
1.3.1 Tipos de Vidrio [14]
Vidrio E: un pionero
Desde 1930, la fibra de vidrio ha sido considerada uno de los materiales del futuro debido a
sus cualidades dielctricas: el aislamiento de conductores elctricos sometidos a
temperaturas altas era ofrecido por los filamentos de vidrio E. Usado solo o en asociacin
con barniz o resinas sintticas, fue su primera aplicacin industrial en gran escala. La fibra
de vidrio E es el tipo ms comnmente usado, tanto en la industria textil, como en
compuestos donde responde por el 90% de los refuerzos usados.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Vidrio R: alto desempeo mecnico
Este tipo de filamento fue creado a pedido de sectores como aviacin, espacio y
armamentos. Satisface las exigencias de ellos en trminos de comportamiento de materiales
en relacin a fatiga, temperatura y humedad. Debido a su alto desempeo tcnico puede ser
utilizado para reforzar lminas de rotor de helicpteros, pisos de aviones, tanques de
combustible de aviones, proyectiles y lanzadores de proyectiles. Desarrollado
principalmente para estas aplicaciones, tambin encontr otras salidas, por ejemplo, en la
industria de deportes y recreacin, transporte y blindaje balstico.
Vidrio D: caractersticas dielctricas muy buenas
Compuestos a partir de vidrio D tiene muy bajas prdidas elctricas y son entonces usados
como un material que es permeable a ondas electromagnticas, con beneficios muy
importantes en trminos de caractersticas elctricas. La fibra de vidrio D es usada en la
fabricacin de ventanas electromagnticas, y superficies de circuitos impresos de alto
desempeo.
Vidrio AR: resistente a lcali
El vidrio AR fue desarrollado especialmente para reforzar cemento. Su alto contenido de
xido de zirconio ofrece resistencia excelente para los compuestos alcalinos durante el
secado. El refuerzo de cemento con filamentos de vidrio AR da mdulos mejorados de
ruptura con buena durabilidad. Esto significa que el modelado hecho en cemento con
refuerzo de vidrio puede ser mucho ms leve. Aplicaciones principales son: sustitucin de
asbesto en tejados y coberturas, paneles de revestimiento y componentes de construccin.
20
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Vidrio C:
El vidrio C es usado para la produccin de mats4 de vidrio para las cuales son requeridas
propiedades de resistencia a la corrosin (como capa externa anticorrosivo de tubos y para
superficies de tubos compuestos).
Una comparacin entre las propiedades mecnicas de los distintos tipos de vidrio
puede ser apreciada en la Tabla 1- 4, que se muestra a continuacin.
Tabla 1-4. Propiedades Mecnicas de los distintos tipos de Fibra de Vidrio.
Propiedades Vidrio E Vidrio D Vidrio R Vidrio AR
Densidad (g/cm3) 2.60 2.14 2.53 2.68
Resistencia a la Tensin (MPa) 3400 2500 4400 3000
Mdulo Elstico (GPa) 72 55 86 72
Resistencia a la ruptura (%) 4.5 4.5 5.2 4.3 Fuente: Pgina web de Saint Gobain Vetrotex de Brasil.http:// www.saint-gobain-vetrotex.com.br
4 El mat es una presentacin especial de la fibra de vidrio en forma de fieltro, en la que los hilos cortados a
una longitud determinada son aglomerados entre s mediante un ligante qumico.
21
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.4 La Fibra de Vidrio A. R.
1.4.1 Historia
Las fibras de vidrio AR (lcali-resistentes) presentan altas prestaciones para el
refuerzo de morteros de cemento, hormigones y, en general, piezas que puedan verse
sometidas al ataque de tipo alcalino.
La llegada de los aglomerantes hidrulicos5 marca el comienzo de una era de altas
prestaciones en las piezas para la construccin [15], siendo los cementos el material ms
importante de esta categora. Dichos cementos permiten el surgimiento de los hormigones.
El hormign presenta muy buenas caractersticas ante la compresin, pero ofrece
muy escasa resistencia a la traccin, por lo que resulta inadecuado para piezas que tengan
que trabajar a flexin o traccin. Esta caracterstica ha conducido a numerosas
investigaciones y desarrollos para mejorar las resistencias ante estos sometimientos,
intentando lograr dentro del mundo de los materiales compuestos la solucin a esta
carencia. El desarrollo ms conocido es el refuerzo del hormign con barras de acero en las
zonas de traccin, dando un material compuesto llamado Hormign Armado. Su
inconveniente es conducir a mayores dimensiones y pesos, as como a una menor rapidez
de construccin y puesta en obra, lo que, de forma directa, conduce a un encarecimiento de
las piezas por la utilizacin de abundante mano de obra y manipulacin de las mismas.
Ante esta desventaja numerosos trabajos e investigaciones se pusieron en marcha y fruto de
ellas fueron los intentos de aligeramiento y reduccin de espesores mediante la adicin de
fibras de refuerzo.
Los primeros desarrollos se lograron con la utilizacin de fibras de asbesto. El
material resultante, llamado "asbestocemento", presentaba grandes ventajas de costo y
trabajabilidad.
5 Materiales que amasados con el agua, fraguan y endurecen tanto expuestos al aire como sumergidos en el agua.
22
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
En bsqueda de un refuerzo que permitiera la consecucin de un material
compuesto, con excelentes prestaciones, se han desarrollado numerosas experiencias con
otras fibras de refuerzo, tales como, las de origen orgnico (aramidas, nylon, rayon,
polipropileno), inorgnico ( vidrio, boro, carbono) y metlicas ( hierro, fundicin dctil,
acero, Ni, Ti, Al). De entre todas ellas la mejor relacin costo-propiedades mecnicas la
ostentan las fibras de vidrio. Los primeros ensayos y experiencias para el refuerzo de los
cementos y sus morteros se realizaron con fibras de vidrio tipo "E", dada la alta resistencia
inherente de las mismas. Sin embargo, dichas tentativas fracasaron debido a que, este tipo
de fibra de vidrio, al ser incorporada al mortero, estaba sujeto al ataque qumico de los
cristales alcalinos (lcalis) producidos en el proceso de hidratacin del cemento, lo cual
produca un deterioro de la fibra (ver figura 1-5), afectando las propiedades mecnicas del
mortero reforzado, sin poderse remediar este problema [16].
En 1967 el Dr. A.J. Majundar, del Building Research Establishment (BRE) del
Reino Unido, empez a investigar los vidrios que contenan circonio, logrando convertir en
fibra alguno de ellos y demostrando la resistencia que presentaban estas fibras ante el
ataque alcalino en un medio agresivo como el que supona el refuerzo de los cementos
Prtland. Tras 4 aos de continuas investigaciones, el refuerzo para los cementos se logr y
la patente de esta investigacin fue solicitada por el National Research Development
Corporation (NRDC).
Para la produccin a escala comercial, el NRDC y BRE contactaron con la empresa
inglesa Pilkington Brothers (PCL), quien con su Compaa subsidiaria Fibreglass Limited
desarroll la explotacin, industrial y comercial del producto al que llamaron Fibras Cem-
FIL. En 1989 la actividad de la fibra de vidrio lcali-Resistente Cem-FIL fue adquirida por
el grupo Saint Gobain por medio de su Delegacin en Espaa, Cristalera Espaola S.A., y
fabricada y comercializada por la empresa Vetrotex Espaa S.A. que forma parte de este
Grupo.
23
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-5. Resistencia al ataque alcalino de distintos tipos de fibra de vidrio en cemento Prtland. A la izquierda Vidrio E, luego de 8 das a 50C (2.2 aos naturales), al centro, Vidrio E + polmero acrlico
tras 8 das a 50C, y a la derecha, Cem-FIL luego de 3 meses a 50C (25 aos naturales) [17.]
1.4.2 Fabricacin
Como principal materia prima en la fabricacin de un GRC6 (Glass Fibre
Reinforced Cement), se emplean las fibras de vidrio lcali-Resistente, mediante las cuales
el GRC logra las caractersticas que se van a detallar en este estudio. Los principales
componentes de este vidrio AR, se muestran en la Tabla 1-5.
Tabla 1-5. Componentes del Vidrio lcali-Resistente.
Componente Frmula Qumica Porcentaje
Slice SiO2 71
xido de Circonio ZrO2 16
xido de Sodio Na2O 11
Almina Al2O 1
xido de Litio Li2O 1 Fuente: Adaptado de El GRC, P. Comino, 2003.
6 Es el nombre comercial con que se conoce a los hormigones reforzados con fibras de vidrio lcali-resistentes.
24
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
En el vidrio lcali-Resistente el componente estrella que otorga a la fibra su
poder de lcali-Resistencia es el Zirconio (Zr).
El proceso de fabricacin de la fibra de vidrio AR-Cem-FIL sigue las siguientes etapas:
Composicin - Fusin:
Las materias primas, finamente molidas, se dosifican con precisin y se mezclan
de forma homognea.
A continuacin la mezcla, llamada vitrificable, es introducida en un horno de
fusin directa y calentada a una temperatura determinada. Las temperaturas de fusin
rondan los 1550 C y stas dependern de los elementos constituyentes del vidrio
(fundentes, formadores de red, etc.).
Fibrado:
El vidrio en estado fundido, al salir del horno, es conducido por unos canales
(Feeders) alimentando las hileras de fabricacin de fibras. Estas hileras son elementos
fabricados con aleaciones de platino, de forma prismtica y con la base trabajada con un
nmero determinado de agujeros de dimensiones controladas.
El vidrio fundido se mantiene en la hilera a unos 1250 C, temperatura que
permite su colada por gravedad, dando origen a barras de vidrio de algunas dcimas de
milmetro de dimetro.
A la salida de la hilera, el vidrio se estira a gran velocidad, entre 10 y 60 m/s
segn el micraje de fibra a fabricar (dimetro a obtener).
Para la obtencin del vidrio como tal y tras el estado fundido, tal y como se
encuentra en las hileras, se procede a un rpido enfriamiento del vidrio fibrado. El
enfriamiento se realiza en una primera fase por radiacin y en una segunda por
25
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
pulverizacin de agua fra. De esta forma se logra la no orientacin de las partculas en el
espacio y por tanto la formacin de ese slido amorfo que es el vidrio, en este caso Alcali-
Resistente.
El vidrio obtenido tras este proceso tiene forma de filamento de varias micras de
dimetro. Para el vidrio AR los dimetros normales de filamentos oscilan entre las 14 y las
20 (micras) segn el producto y la aplicacin a la que se dirija.
Ensimado:
El conjunto de filamentos desnudos, tal y como salen de la hilera, son
inutilizables directamente, ya que no hay cohesin entre ellos, no resisten la abrasin,
carecen de flexibilidad y trabajabilidad.
Para corregir estos defectos y dar nuevas propiedades a la fibra en funcin de su
aplicacin, as como para poder transformarla y trabajarla en su fabricacin y presentacin
comercial, es necesario revestir los filamentos con una fina pelcula (ensimaje) que est
constituida en general por una dispersin acuosa de diversos compuestos qumicos que
presentan una funcin bien definida.
El ensimaje se deposita sobre los filamentos a la salida de la hilera cuando la
temperatura del vidrio est todava comprendida entre los 60 y 120C, segn las
condiciones de fibrado.
La cantidad de ensimaje que se deposita sobre el vidrio es relativamente baja
(entre el 0.5 y el 5%).
Inmediatamente despus del ensimaje se procede a la unin de los filamentos para
formar los hilos o conjunto de filamentos dispuestos en formato comercial. La unin de los
filamentos se realiza mediante unos "peines" con gargantas especiales en los cuales se
produce la unin facilitada por el ensimaje.
26
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Es este proceso el que otorgar al filamento y al hilo las caractersticas especiales
que:
a. Le har apto ante una aplicacin especfica.
b. Dar cohesin entre filamentos.
c. Dar resistencia frente a la abrasin que el filamento pueda sufrir consigo mismo,
con otros filamentos o con otras superficies.
d. Elimina cargas electrostticas en los filamentos o unin de los mismos.
e. Facilita la trabajabilidad del filamento y su transformacin.
f. Rigidiza en mayor o menor medida la unin de los filamentos hilos.
En la actualidad existe una familia de ensimajes que unidos a la fibra de vidrio
lcali-Resistente Cem-FIL, le confieren caractersticas especficas para la aplicacin
determinada a la que vaya destinada. De esta forma existen ensimajes especiales para:
a. Resistir la abrasin que supone el amasado de la fibra en un medio extremadamente
agresivo como es el de la mezcla con arena, cemento, agua y aditivos qumicos.
b. Facilitar su corte y proyeccin en una pistola especialmente diseada para estos
procesos de transformacin de la fibra.
c. Facilitar la dispersin de los filamentos, esto es, facilitar la desunin entre
filamentos. Este ensimaje fue expresamente desarrollado para la sustitucin del
amianto.
Bobinado: Los hilos obtenidos de la unin de los filamentos son bobinados para dar lugar a
productos finales (roving directo) o productos intermedios (ovillos), que se bobinan segn
diferentes formas y geometras.
Ser en el proceso de bobinado donde se controlar la velocidad de rotacin de la
bobinadora y por tanto la velocidad de estirado de la fibra de vidrio.
27
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Secado:
Los productos procedentes del bobinado se pasan por diferentes dispositivos de
secado con objeto de eliminar el exceso de agua en el que haba disuelto el ensimaje y
otorgar al ensimaje un tratamiento trmico necesario para consolidar sus propiedades frente
a las aplicaciones a las que ser sometido.
Transformacin final: En la transformacin final se realizarn las operaciones necesarias para conferir al
hilo el formato adecuado para la correcta utilizacin por parte de los Fabricantes de GRC.
Destacan entre las presentaciones comerciales actuales del vidrio 1ca1i-Resistente Cem-
FIL el roving ensamblado y los hilos cortados, que sern los que se utilizarn en esta
investigacin:
Roving Ensamblado:
El roving ensamblado se obtiene de la unin de un nmero determinado de hilos,
procedentes de ovillos, formando una "mecha". Esta mecha es bobinada en forma de
Roving o gran carrete de dimensiones, peso y densidad controladas.
La medida fisica de un hilo, y por extensin de una mecha, viene reflejada por el
llamado "Ttulo" con unidades denominadas TEX. As TEX = gr/km que presenta un hilo o
una mecha.
El ttulo de una mecha depender pues del nmero de hilos que la compongan y a
su vez el ttulo de un hilo depender del nmero y del dimetro de los filamentos que lo
componen. Para los Roving Ensamblados Cem-FIL la unidad TEX habitual de la mecha es
de 2450 TEX, estando formada, en algunos productos, y a modo de ejemplo, por 32 hilos
de 76,5 TEX/hilo o por 64 hilos de 38 TEX/hilo. Pueden realizarse otras configuraciones
que dependern de las prestaciones exigidas a las fibras en el material compuesto.
28
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Los diferentes rovings tendrn todos en comn el mismo vidrio Alcali- Resistente
Cem-FIL y como elemento diferenciador, entre uno y otro, el ensimaje.
Los rovings van destinados a aplicaciones de proyeccin simultnea (ya sea
manual o automatizada) y a procesos de refuerzo con hilos continuos y/o cortados.
Hilos Cortados:
Los hilos procedentes de los ovillos son, en este caso, cortados en longitudes
determinadas, segn lo exija la aplicacin a la que vayan destinados. La medida fsica del
hilo es el TEX.
Los hilos cortados van destinados a los procesos de amasado y aplicacin por
medio del colado-vibrado tradicional o por el de proyeccin de la mezcla realizada.
Dentro de la gama de los hilos cortados tenemos dos grandes e importantes
familias:
* Los Hilos Cortados ntegros: Hilos que son capaces de aguantar grandes
abrasiones durante el amasado con aglomerantes hidrulicos, arenas, gravas, agua y
aditivos qumicos, mantenindose en forma ntegra (con todos los filamentos unidos)
durante y tras el amasado realizado.
* Los Hilos Cortados Dispersables en Agua: Hilos que son capaces de dispersarse
o, lo que es lo mismo, dividirse en los filamentos individuales que lo forman, durante el
proceso de amasado o en contacto con agua o disolucin acuosa.
Un esquema del proceso de fabricacin de la fibra de vidrio junto a sus
productos finales puede ser apreciado en la figura 1-6.
29
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-6. Proceso de Fabricacin de la Fibra de Vidrio, y sus productos Finales [18].
30
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.5 Fabricacin de un GRC
1.5.1 Elementos Constituyentes
Los componentes ms usuales de un GRC son:
Cemento. Arena. Agua. Fibra de Vidrio A. R. Aditivos.
Entre los aditivos destacan los plastificantes, fluidificantes, superplastificantes,
pigmentos, impermeabilizantes, hidrfugos, polmeros, elementos puzolnicos especiales,
etc. Estos aditivos sern agregados, o no, dependiendo de las propiedades y diseo a
otorgar al GRC en cada obra y en base a los requerimientos exigidos en las prescripciones
correspondientes.
Bajo la descripcin general de GRC hay numerosas posibilidades de variar las
mezclas dependiendo del uso del producto final o del mtodo de fabricacin elegido para
producir una familia de compuestos. La estandarizacin est ms arraigada en las mezclas
empleadas sobre GRC para aplicaciones arquitectnicas y en las mezclas usadas en el
proceso de fabricacin por proyeccin simultnea.
Por su parte, la cantidad de fibra de vidrio depender:
a. Del proceso de fabricacin del GRC: Dependiendo del proceso de fabricacin del
GRC se tendrn variaciones en la cantidad de fibra aadida. Esto es, si el proceso es
el de proyeccin simultnea (uso de la fibra en forma de roving) la cantidad de fibra
de vidrio lcali-Resistente Cem-FIL ser del 5% en peso del total de la mezcla
realizada para la fabricacin del GRC. Por el contrario, si en el proceso de
fabricacin se ha de incorporar la fibra de vidrio durante el amasado del mortero
(premezcla o premix) la proporcin ser del 3% del total de la mezcla realizada.
31
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
b. De la Aplicacin: Las fibras de vidrio AR pueden ser incorporadas entre el 0.1 % y
el 5% en peso. Cuando la proporcin es baja, las fibras AR minimizan la
segregacin de materiales y evitan las microfisuraciones de las piezas fabricadas
con cemento, aumentando la dureza y la resistencia a los choques. Cuando las
proporciones se presentan entre el 1 % y el 2%, las fibras AR son ideales para
mezclas armadas, reduciendo la densidad de productos de hormign. Cuando la
proporcin est entre el 2% y el 3.5% las fibras AR sirven de refuerzo primario en
productos realizados por moldeo y vibracin de bajo coste. Cuando la proporcin es
de un 5% se utilizan las fibras AR para las aplicaciones que exigen una gran
resistencia, tales como los paneles de fachada arquitectnicos.
c. La Resistencia a otorgar a GRC: La cantidad de vidrio lcali-Resistente en forma
de fibras es muy importante desde el punto de vista de la resistencia que presenta el
elemento compuesto GRC, pero tambin es importante tener en cuenta la longitud
de las fibras para la consecucin de unos adecuados niveles de resistencia.
Otro parmetro a controlar durante el proceso de fabricacin del GRC, es la
longitud de la fibra7, la cual depender en gran medida del proceso de fabricacin, ya que,
por ejemplo, en procesos de premezcla una fibra muy larga puede dar problemas de
amasado y de destruccin de la fibra por abrasin en su superficie. Para estos procesos las
longitudes ideales (aqullas con las que se tiene la mayor resistencia con una perfecta
trabajabilidad) oscilan entre los 6 y 24 mm, presentando sus mayores prestaciones a los 12
mm. Para procesos de proyeccin simultnea (utilizacin de roving) las longitudes ideales
oscilan entre los 30 y los 45 mm [19].
7 Ya se ha considerado la longitud crtica de la fibra, descrita en el punto 1.2.1 de esta Memoria, y que en el caso de este estudio es cercana a los 2 mm.
32
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.5.2 Procesos de Fabricacin de un GRC.
Dentro de este apartado se presentan los diferentes procesos actuales de
fabricacin de un GRC. Hay que tener en cuenta que procesos distintos y/o hbridos a los
presentados pueden utilizarse para la fabricacin de piezas especficas.
1.5.2.1 Procesos de Proyeccin Simultnea
La proyeccin simultnea es un proceso de fabricacin mediante el cual se obtienen
piezas de GRC reforzadas de forma bidireccional (en el plano). La fabricacin consistir en
la proyeccin de capas que posteriormente se irn compactando entre s hasta formar el
espesor total de la lmina o panel de GRC (normalmente entre 10 y 15 mm).
Dentro de este proceso de fabricacin del GRC se incluye [20]:
a. Proyeccin Simultnea Manual: Un operario es el encargado de proyectar las capas,
mediante una pistola de proyeccin (ver figura 1-7). Se utiliza para la fabricacin
de paneles de cerramiento de gran tamao o de otro tipo de elementos de
construccin que requieren una elevada resistencia.
Figura 1-7. Proyeccin Simultnea Manual de GRC.
b. Proyeccin Simultnea Automtica: La pistola de proyeccin realiza un
movimiento de vaivn transversal sobre unos moldes que van pasando por debajo
(ver figura 1-8). Este mtodo se emplea con productos planos como los encofrados
33
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
perdido de puentes, o para componentes que pueden posformarse con una tcnica de
molde plegado, tales como conductos de cables.
Figura 1-8. Proyeccin simultnea automtica de GRC.
c. Proyeccin Simultnea Robotizada: Las mquinas son controladas por computador,
basndose en el principio de proyeccin concntrica8, siendo capaces de proyectar a
intensidades de hasta 35 kg/min. Se pueden memorizar los perfiles para repetirlos
con exactitud. El computador controla la velocidad de la cinta transportadora, la
velocidad de bombeo de mortero y los dispositivos de control de circulacin del
agua.
1.5.2.2 Procesos de Premezcla
En el proceso de premezcla, el refuerzo de la fibra de vidrio acta de forma
tridimensional, pues las fibras se orientan en las tres direcciones.
Todos los procesos de premezcla tienen en comn el acto del mezclado, que
normalmente se efecta en una hormigonera o en un amasador simple de paletas. Las fibras
de vidrio Cem-FIL, a diferencia de algunas otras de refuerzo, presentan una perfecta
incorporacin y se pueden mezclar hasta un % elevado dentro de un mortero sin que se
produzcan apelotonamientos o problemas de homogeneizacin. 8 Consiste en proporcionar tanto hormign como hilo de vidrio cortado a partir de un nico punto de salida. Con esto se logra reducir las prdidas de hilo de vidrio.
34
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
El proceso de premezcla consta, normalmente, de dos etapas. En la primera se
mezclan y amasan los componentes del mortero y se adicionan las de vidrio, y en la
segunda se aplica la mezcla al molde (o en su caso a la realizacin de la obra in-situ, como
por ejemplo, en la realizacin de revocos, soleras, etc.).
Por lo general, las resistencias obtenidas con los procesos de premezcla son
inferiores a las obtenidas por proceso de Proyeccin Simultnea. Por otra parte, dada la
extremada simplicidad, la fcil trabajabilidad y la sencilla puesta en obra, el proceso de
colado-vibrado se convierte en la aplicacin ms rpida y sencilla de realizacin de todas
las de fabricacin de piezas en GRC. Dentro de este proceso de fabricacin del GRC se
destaca [21]:
a. Proceso de Colado-Vibrado: Es el proceso ms difundido de aplicacin de
premezcla. Las fases de realizacin de un colado vibrado son: Realizacin de la
premezcla, colado en un molde, vibrado, fraguado, desmoldeo y curado. Este
proceso se emplea para la fabricacin de gran nmero de piezas tanto ornamentales
como arquitectnicas (ver figura 1-9). Dentro de este proceso se destacan dos
variantes:
Colado-Vibrado en Molde Abierto.
Colado-Vibrado en Molde y Contramolde.
Figura 1-9. Colado-Vibrado de Premezcla.
35
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
b. Proyeccin de Premezcla: Esta aplicacin ha tenido gran aceptacin en los ltimos
aos pues el nivel de resistencia que las piezas de GRC adquieren con l est entre
las grandes resistencias del GRC procedente de Proyeccin Simultnea y las de un
GRC procedente del Colado-Vibrado (ver figura 1-10).
Figura 1-10. Premezcla proyectada.
1.5 Caractersticas Mecnicas, Fsicas y Qumicas de un GRC
En la Tabla 1-6, que se muestra a continuacin, se aprecian los niveles de
resistencia adquiridos por un GRC a los 28 das, fabricado tanto por el mtodo de
proyeccin como por el de premezcla, adems se compara con un mortero que no contiene
fibra de vidrio. Todos los valores corresponden a placas de espesor de 10 mm.
36
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 1-6. Resistencias Mecnicas a los 28 das de un GRC.
Propiedades Proyeccin Premezcla Mortero Comn
Fibra Cem-FIL (% en peso) 5 3 0
Flexin Mdulo de Rotura (MPa) 20 30 10 14 5 12
Lmite Elstico (MPa) 7 11 5 8 3 6
Traccin
Mdulo de Rotura (MPa) 8 11 4 7 3 5
Lmite Elstico (MPa) 5 7 4 6 3 5
Resistencia a la Compresin (MPa) 50 80 40 60 20 50
Resistencia al Choque (Kj/m2) 10 25 10 15 5 10
Mdulo de Elasticidad (GPa) 10 20 10 20 9 15
Deformacin a la Rotura (%) 0.6 1.2 0.1 0.2 0.1 0.2
Densidad del Material (g/cm3) 1.9 2.1 1.8 2.0 1.7 2.1 Fuente: P. Comino, El GRC, 2003.
Tanto la resistencia como la durabilidad del GRC pueden verse mejoradas
notablemente gracias a la adicin de un tipo de metacaoln especfico, y tambin con la
adicin de polmeros acrlicos. Los datos expuestos se aplican a formulaciones de GRC con
una relacin arena/cemento entre el 0.5 y 1.
Las propiedades fsicas y qumicas del GRC se muestran en la Tabla 1-7.
37
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 1-7. Propiedades Fsica y Qumicas tpicas de un GRC.
Propiedad Valor
Pesos Aproximados
Lmina simple 8 mm de espesor (kg/m2) 16
Lmina simple 12 mm de espesor (kg/m2) 24
Panel Sndwich9 (kg/m2) 44
Retraccin irreversible (%) 0.05
Retraccin final (%) 0.2
Coeficiente de Dilatacin Trmica (mm/C) 10 20 x 10-6
Coeficiente de Conductividad Trmica (W/m C) 0.5 1
Resistencia Qumica Buena
Resistencia a los Sulfatos Se usan cementos especiales
Ambiente Marino No afecta propiedades mecnicas
Hielo Deshielo Ningn cambio
Luz ultravioleta No lo degrada
Acstica Reduccin de dB
Lmina de GRC de 10 mm de espesor (dB) 30
Lmina de GRC de 20 mm de espesor (dB) 35
Sndwich de 10 cm (dB) 47
Aislamiento Trmico
Lmina simple 8 mm de espesor (W/m C) 5.3
Lmina simple 12 mm de espesor (W/m C) 5.2
Panel Sndwich (W/m C) 0.4 Fuente: P. Comino, El GRC, 2003.
9 El panel sndwich en este caso se compone de una lmina de GRC de 10 mm de espesor, una capa de poliestireno expandido de 110 mm y otra capa de GRC de 10 mm de espesor.
38
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
1.7 Ventajas competitivas del GRC
La mayor de las ventajas que presenta el GRC es su reducido peso (del orden de
entre 1/3 y 1/10 del peso de elementos equivalentes en hormign convencional) guardando
las mismas o superiores prestaciones.
Esta ventaja de ligereza va a repercutir, positivamente, sobre diferentes factores
de diseo e instalacin de las piezas y/o estructuras que soporten el GRC y de las mismas
instalaciones (puesta en obra) de las piezas realizadas en este material.
Una pequea lista de factores que pueden verse modificados frente a la utilizacin
del GRC, es la siguiente:
a. Transporte de las piezas a obra. Por su caracterstica de ligereza se pueden
transportar del orden de 3 a 5 veces ms piezas de GRC que de hormign
convencional, lo cual abarata una partida importante como es la del transporte de
los elementos prefabricados a obra.
b. Estructura y cimentaciones del edificio que sustentan las piezas del GRC. Se ha de
tener en cuenta el ligero peso que presentan las piezas de GRC a la hora del diseo
de la estructura y sus cimentaciones, logrndose grandes ahorros de material. El
poco peso lo hace ideal para su uso en edificios de gran altura.
c. Maquinaria de instalacin y puesta en obra. Ya que las piezas de GRC son poco
pesadas, la maquinaria necesaria para su instalacin en obra es mucho ms ligera
(de menor capacidad).
d. Cuadrillas de montaje. Debido a la ligereza y caractersticas del GRC el montaje se
simplifica, reducindose el nmero total de montadores necesarios.
e. Anclajes y herrajes de unin a los entramados de la estructura son mucho ms
ligeros, lo cual repercute sobre el ahorro de materiales.
39
ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
f. El montaje es mucho ms rpido. Debido al poco peso de las piezas de GRC las
gras emplean menos tiempo de montaje y por tanto de construccin. El reducir el
tiempo de construccin, permitir anticipar la entrada en el edificio de otros oficios
y un ahorro en los costos de financiacin.
Todos estos factores de ahorro, estudiados en su conjunto, suponen una
grandsima ventaja competitiva del GRC y lo convierten en lder frente a otros materiales
alternativos.
1.8 Cualidades del GRC
Las fibras de vidrio tienen excelentes propiedades, que hacen de ellas el refuerzo
ideal para los materiales compuestos de matriz inorgnica. AR es la fibra idnea, por
resistencia alcalina, por su alto rendimiento y por sus altas prestaciones, para el refuerzo de
los composites (materiales compuestos) de cemento.
Las principales cualidades que las fibras AR confieren al GRC son:
a. Durabilidad, ya que la fibra utilizada es inmune a la accin de los lcalis del
cemento.
b. Gran resistencia al impacto, debido a la absorcin de energa por los haces de fibra.
c. Impermeabilidad, an en pequeos espesores.
d. Resistencia a los agentes atmosfricos.
e. El GRC no se corroe ni se deteriora en condiciones atmosfricas.
f. Incombustibilidad, derivada de las caractersticas de sus componentes.
g. Aptitud de reproduccin de detalles de superficie (ideal para imitar piedra o
pizarra).
h. Ligero, lo que reduce los costos de transporte, puesta en obra e instalacin.
i. Aptitud a ser moldeado en formas complejas. (Especialmente til para la
renovacin y restauracin de inmuebles).
j. Gran resistencia contra la propagacin de fisuras.
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k. Reduce la carga en los edificios, lo que conduce a una reduccin de los costes de
estructura y cimentacin.
l. Reduce los cuidados de mantenimiento.
m. Excelente resistencia frente al vandalismo.
n. Enorme catlogo de texturas y acabados de superficie realizables.
o. Ilimitadas posibilidades de diseos arquitectnicos.
1.9 Principales Aplicaciones del GRC
Todas las caractersticas anteriormente citadas hacen del GRC un material
ampliamente utilizado10. Sus aplicaciones presentan un campo muy extenso en la
Arquitectura e Ingeniera. A continuacin se detallan las aplicaciones ms usuales del
GRC:
a. En la Industria de la Construccin:
Paneles de Fachada y cerramientos en general Sistemas modulares de vivienda Elementos para cubiertas Decoracin de interiores Piscinas Pavimentos Revestimiento de Tneles
b. En la proteccin contra el fuego:
Puertas y pantallas antifuego Conductos antifuego
10 Incluso en Chile ya hay algunas empresas dedicadas a la produccin de algunos artculos de GRC, tales como canaletas y reas verdes transitables.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
c. En el aislamiento trmico:
Paneles para aislamiento trmico de edificios Cmaras Frigorficas
d. En el control del ruido:
Barreras antirruido en autopistas, carreteras y ferrocarril Proteccin de maquinarias ruidosas.
e. En la industria martima:
Pontones, canales y boyas Tanques para piscifactoras
f. En la agricultura:
Comederos para animales Elementos de drenajes Suelo de granjas Bebederos
g. En el diseo:
Mobiliario urbano de todas clases Escudos y adornos Moldes Elementos decorativos Imitaciones a rocas en parques artificiales.
En la figura 1-11 se aprecian algunas aplicaciones del GRC.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 1-11. Aplicaciones del GRC.
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Captulo 2
PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIN Y PROGRAMA DE ENSAYOS
2.1 Introduccin
En la actualidad, para el refuerzo de fibras de los hormigones, se utilizan fibras
metlicas, plsticas y en algunos casos vegetales. Las fibras de vidrio se utilizan,
generalmente, mezcladas en pastas de cemento o morteros de granulometra muy fina, en el
GRC (Glass Reinforced Concrete), pero no en la aplicacin con hormigones compuestos
por ridos mayores a 5 mm.
En esta memoria se estudia el comportamiento mecnico de los hormigones
reforzados con fibra de vidrio, caracterizando su resistencia a la compresin y a la
flexotraccin como funcin del porcentaje de fibra de vidrio lcali-resistente adicionado.
Adems se estudian los cambios en la trabajabilidad en el hormign dada la incorporacin
de la fibra de vidrio.
Utilizando un rido de tamao mximo de 8 mm se establece un plan de ensayos a
realizar en los laboratorios de la seccin de Hormigones del Instituto de Investigacin y
Ensaye de Materiales (IDIEM) de la Universidad de Chile.
2.2 Objetivos
2.2.1 Objetivo General
El objetivo general de esta memoria es determinar cmo varan las propiedades
mecnicas del hormign al adicionarle distintos porcentajes de fibra de vidrio.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
2.2.2 Objetivos Especficos
Los objetivos especficos a conseguir con esta memoria se pueden clasificar en
dos grupos. El primero referido al hormign en estado fresco, y el segundo referido al
hormign ya endurecido.
Para el Hormign Reforzado con fibra de vidrio en estado fresco se quiere:
Determinar la trabajabilidad. Para el hormign reforzado con fibra de vidrio ya endurecido se quiere:
Determinar la resistencia a la compresin. Determinar la resistencia a la flexotraccin.
2.2 Variable a Estudiar en el Desarrollo Experimental
La variable a estudiar ser el porcentaje de fibra de vidrio AR adicionada al
hormign, y su incidencia en la trabajabilidad, resistencia a la compresin y resistencia a la
flexotraccin de ste..
Dado lo anterior, se establecen dosificaciones ptimas para el hormign reforzado
con fibra de vidrio.
2.3 Programa de Ensayos
Para cuantificar el efecto de la incorporacin de fibras de vidrio AR al hormign, se
efectuarn ensayos comparativos entre un hormign patrn (sin fibras) y hormigones con
distinto porcentaje de fibra adicionado. La fibra usada ser Cem-FIL Anti-Crack HD, de la
casa Vetrotex, en un largo de 12 mm. ste es el largo estndar, en que este tipo de fibra de
vidrio AR, especialmente diseada para hormigones, es confeccionada. Dicho largo
condicionar el tamao mximo de rido grueso, que para un refuerzo eficiente no debe
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
sobrepasar los 2/3 de longitud de la fibra [22]. Dado lo anterior el tamao mximo del rido
grueso, para esta investigacin, es de 8 mm.
Se utilizar un hormign de una calidad nominal, medida como resistencia a la
compresin, de 250 kgf/cm2, a los 28 das. Se ha considerado este tipo de hormign, ya que
se piensa que aplicaciones del hormign reforzado con fibra de vidrio pueden ser losas,
radieres o algn otro que no requiera de mayores resistencias.
Los porcentajes adicionados de fibra de vidrio estarn comprendidos entre el 0,05%
y el 0,4% en peso del hormign duplicando el porcentaje de fibra adicionada en cada
ensayo. Dado lo anterior se tendrn 5 medidas a ensayar tal como se indica en la Tabla 2-1.
Dichas dosificaciones fueron obtenidas luego de realizar una serie de un ensayos de
prueba11, tomando como lmite inferior la cantidad mnima de fibra a adicionar
recomendada por el fabricante [23] equivalente a 0,03% en peso del hormign, y como
lmite superior el 4% sealado en la literatura [24].
Tabla 2-1. Tipos de Hormigones a Ensayar.
Identificador % de Fibra de Vidrio AR adicionado
H0 0,00
H1 0,05
H2 0,10
H3 0,20
H4 0,40 Fuente propia.
Los ensayos a realizar son los de trabajabilidad, resistencia a la compresin y
resistencia a la flexotraccin. El primer ensayo se realizar con el hormign en estado
fresco, para cada uno de los tipos de hormigones. Los dos ltimos ensayos se realizarn con 11 Los resultados de dichos ensayos pueden ser consultados en la seccin Anexos, del presente trabajo.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
el hormign ya endurecido, en dos etapas: la primera cuando el hormign cuenta con 7 das
de edad y la segunda cuando el hormign cuenta con 28 das. Estos ensayos tambin
comprenden los 5 tipos de hormigones. Un resumen de los ensayos a realizar puede ser
apreciado en la Tabla 2-2.
Tabla 2-2. Resumen de los Ensayos a Realizar.
Ensayo Estado del
Hormign
Tipo de Hormign Edad del Hormign
Trabajabilidad Fresco H0, H1, H2, H3, H4 Menos de media hora
7 das Resistencia a la
Compresin
Endurecido H0, H1, H2, H3, H4
28 das
7 das Resistencia a la
Flexotraccin
Endurecido H0, H1, H2, H3, H4
28 das
Fuente propia.
2.4 Descripcin de los Ensayos
2.4.1 Trabajabilidad [25]
Durante la etapa en que el hormign se mantiene en estado fresco es de gran
importancia poder otorgarle una docilidad adecuada, para el uso que se desea darle. Debido
a que las fibras reducen la trabajabilidad del hormign fresco, se hace necesario determinar
en qu proporcin lo hacen.
Para cuantificar la trabajabilidad del hormign se medir el asentamiento de cono.
Este ensayo fue ideado por el investigador norteamericano Abrams. Su ejecucin est
regulada por la NCh 1019 y consiste bsicamente en rellenar un molde metlico
troncocnico de dimensiones normalizadas, en tres capas apisonadas con 25 golpes de
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
varilla-pisn y, luego de retirar el molde, medir el asentamiento que experimenta la masa
de hormign colocada en su interior. Esta medicin se complementa con la observacin de
la forma de derrumbamiento del cono de hormign, mediante golpes laterales con la
varilla-pisn. De esta manera, la medida del asentamiento permite determinar,
principalmente, la fluidez, y la forma de derrumbamiento permite apreciar la consistencia
del hormign.
donde: 2.4.3 Compresin
La resistencia a la compresin es una de las propiedades ms importantes del
hormign, siendo tambin el factor que se emplea frecuentemente para definir su calidad.
El procedimiento de ensayo para la determinacin de la resistencia a la
compresin del hormign est establecido en la norma chilena NCh 1037 77 [26].
El valor de la resistencia obtenido en el ensayo no es absoluto, puesto que
depende de las condiciones en que ha sido realizado. Entre estas condiciones, las de mayor
influencia son analizadas a continuacin:
a. Forma y dimensiones de la probeta:
Las probetas empleadas normalmente para determinar la resistencia a la compresin son de forma cbica o cilndrica. De las primeras, se emplean de
preferencia las de 15 y 20 cm de arista, y para las segundas las de 15 cm de
dimetro y 30 cm de altura.
b. Condiciones de ejecucin del ensayo:
Velocidad de aplicacin de la carga de ensayo. Estado de las superficies de aplicacin de la carga. Centrado de la carga de ensayo.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
c. Caractersticas del hormign:
Tipo de cemento. Relacin agua / cemento. Edad del hormign.
d. Condiciones ambientales:
Temperatura. Humedad.
El procedimiento de ensayo, descrito en la norma chilena NCh 1037, se resume a
continuacin:
a. Medicin de las Probetas.
Probetas cbicas: Se coloca el cubo con la cara de llenado verticalmente. Se miden los anchos de las 4 caras laterales del cubo aproximadamente a media
altura, y las alturas de las caras laterales, aproximando a 1mm. Se debe
determinar la masa del cubo, aproximando a 50 gr.
Probetas cilndricas: Se miden dos dimetros perpendiculares entre s aproximadamente a media altura, y la altura de la probeta en 2 generatrices
opuestas antes de refrentar, aproximando a 1 mm. Se determina la masa del
cilindro antes de refrentar, aproximando a 50 gr.
b. Ensayo.
Se debe limpiar las superficies de contacto de las placas de carga y de la probeta, colocando la probeta en la mquina de ensayo alineada y centrada. Las
probetas cbicas se colocan con la cara de llenado verticalmente y las
cilndricas asentadas en una de sus caras planas refrentadas. Al acercar la placa
superior de la mquina de ensayo se debe asentarla sobre la probeta de modo de
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
obtener un apoyo lo ms uniforme posible. La carga debe aplicarse en forma
continua y sin choques a velocidad uniforme, de forma tal que la rotura se
alcance en un tiempo igual o superior a 100 segundos y que la velocidad de
aplicacin de carga no sea superior a 3,5 kgf/cm2/seg. Finalmente se registra la
carga mxima expresada en kgf.
c. Resultados.
Se calcula la resistencia a la compresin del hormign mediante la siguiente frmula:
CPRS
= (2.1)
donde: S = Superficie de carga
P = Carga Mxima
2.4.4 Flexotraccin
Se ha considerado de inters el caracterizar los hormigones del presente estudio en
cuanto a su resistencia a la flexotraccin, ello principalmente, debido a que una posible
aplicacin de estos hormigones sera la de pavimentos industriales, y en ese caso un
aumento de la resistencia a flexotraccin por efecto de las fibras sera muy beneficioso.
El procedimiento de ensayo se basa en la norma chilena NCh 1038 [27] y consiste
en someter a una vigueta de hormign simplemente apoyada, a una solicitacin de flexin
mediante la accin de dos cargas concentradas en los lmites del tercio central de la luz de
ensayo.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Si la fractura de la probeta de produce en el tercio central de la luz de ensayo, se
calcula la resistencia a la traccin por flexin como la tensin de rotura segn la frmula
siguiente:
2*
*P LRb h
= (2.2)
donde: R = Tensin de rotura, N/mm2 (kgf/cm2);
P = Carga mxima aplicada, N (kgf);
L = Luz de ensayo de la probeta, mm (cm)
I = Ancho promedio de la probeta en la seccin de rotura, mm (cm);
h = Altura promedio de la probeta en la seccin de rotura, mm (cm).
Si la fractura se produce fuera del tercio central de la luz de la probeta, en la zona
comprendida entre la lnea de aplicacin de carga y una distancia de 0,05 L de esa lnea, se
calcula la resistencia a la traccin por flexin como la tensin de rotura, segn la frmula
siguiente:
23* *
*P aR
b h= (2.3)
en que:
a = Distancia entre la seccin de rotura y el apoyo ms prximo, medida a lo
largo de la lnea central de la superficie inferior de la probeta, cm.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Captulo 3
DESARROLLO DE LA ETAPA EXPERIMENTAL
3.1 Materiales
3.1.1 ridos
Los ridos empleados son una arena y una gravilla de tamao mximo 8 mm, cuya
procedencia es la planta de ridos PTREOS S.A. Las propiedades de los ridos se
muestran en la Tabla 3-1. La granulometra de la arena y la gravilla se indican en la Tabla
3-2.
Para determinar las propiedades de los ridos, tales como densidad aparente
compactada, ensidad neta y absorcin, tanto de la arena como de la gravilla, se siguieron
los procedimientos establecidos por las normas chilenas NCh 1116 [28], NCh 1117 [29] y
NCh 1239 [30], todas ellas del ao 1977, referidas a dichos temas.
Tabla 3-1. Propiedades de los ridos.
ridos Propiedad Unidad
Arena Gravilla
Densidad Aparente
Compactada
[g/cm3] 1,74 1,68
Densidad Neta [g/cm3] 2,60 2,61
Absorcin [%] 2,77 1,87 Fuente propia.
Para determinar la granulometra de los ridos se procedi a tamizar los ridos, de
acuerdo con la norma chilena NCh 165 Of. 177 [31].
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Tabla 3-2. Granulometra de ridos.
Porcentaje que pasa en peso Tamices Empleados ASTM
Arena Gravilla
812 mm 100 100
N 4 91 72
N 8 84 51
N 16 73 30
N 30 58 20
N 50 21 7
N 100 6 3
M. F. 2,67 4,17 Fuente propia.
3.1.1.1 Determinacin de Impurezas en las Arenas para Hormigones
La norma chilena NCh 163 Of.79 [32], establece como requisito general para las
arenas que sern utilizadas en la confeccin de morteros y hormigones, no presentar
impurezas orgnicas.
Siguiendo la norma chilena NCh 166 Of.52 [33] se procedi a determinar
calorimtricamente la presencia de impurezas orgnicas.
Al someter la arena a la accin del hidrxido de sodio al 3% durante un perodo de
24 horas se obtuvo una disolucin de color ms dbil al patrn (ver figura 3-1). Esto indica
un contenido despreciable por lo que resulta una arena recomendable para ser utilizada en
la fabricacin de hormigones y morteros.
La medicin de impurezas orgnicas fue realizada en el laboratorio de Materiales
Polimricos del IDIEM de la Universidad de Chile. 12 Esta apertura de tamiz no corresponde a la serie ASTM, sino que a la serie complementaria indicada en NCh 165 Of77.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Figura 3-1. Determinacin calorimtrica de impurezas.
3.1.2 Cemento
El cemento utilizado es fabricado por CEMENTO MELON S.A. y su
denominacin comercial es cemento Meln especial, que corresponde a un cemento tipo
Prtland pozolnico de grado corriente.
Cabe sealar que este cemento, cumple con todas las especificaciones establecidas
por la norma chilena NCh 148 referente a cementos [34], por lo cual ha recibido
certificacin de calidad IDIEM.
3.1.3 Fibras de Vidrio lcali-Resistentes
La fibra de vidrio utilizada, es un monofilamento resultante de la dispersin de
haces de fibra al entrar en contacto con la humedad del hormign. Su nombre comercial es
Cem-FIL Anti-Crack HD (High Dispersin), y es fabricado por el grupo SAINT GOBAIN-
VETROTEX. El dimetro del filamento corresponde a 14 micras y su longitud a 12 mm,
por lo cual su relacin de aspecto (cuociente entre el largo de la fibra y su dimetro)
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
equivale a 857. La Tabla 3-3 muestra un resumen con las caractersticas fsicas y mecnicas
ms importantes de este tipo de fibra.
Tabla 3-3. Principales Propiedades Mecnicas y Fsicas de la Fibra de Vidrio Cem-
FIL Anti-Crack HD.
Propiedad Valor
Resistencia a la Traccin del Filamento 1,7 GPa
Mdulo Elstico de Young 72 Gpa
Gravedad Especfica 2,68 g/cm3
Alargamiento a la Rotura 2,4%
Dimetro del Filamento 14 m Longitud 12 mm
Relacin Longitud-Dimetro 857:1
Nmero de fibras por kilo 212 millones Fuente: Saint Gobain-Vetrotex, Fibras Cem-FIL.
3.1.4 Agua
Para la confeccin de los hormigones se utiliza agua potable tomada directamente
desde la red de suministro de la ciudad de Santiago. Esta agua cumple con la norma NCh
40913 [35], referida a los requisitos del agua potable.
La norma NCh 1492 Of.82 [36] establece que el agua potable puede ser utilizada
como agua de amasado para hormigones.
13 Este dato fue corroborado por el departamento tcnico de la Empresa Aguas Andinas.
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ID69F Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
3.1.5 Aditivo [37]
Al adicionar fibra de vidrio, disminuye la trabajabilidad del hormign [38]. Por
este motivo se utiliza un aditivo plastificante. Considerando que los hormigones sujetos de
este estudio pueden ser producidos y comercializados por empresas de hormign
premezclado, se decide usar un aditivo que adems tenga caractersticas de retardador de
fraguado, para as facilitar su eventual traslado a grandes distancias en camiones
revolvedores. El aditivo usado es Plastiment H.E.R. [39] fabricado por SIKA S.A.
La dosificacin utilizada es la recomendada por el fabricante, que equivale al 1%
en peso de cemento.