Hormigon con fibras de aramida (alberto moral)

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Hormigon con fibras de aramida (alberto moral)

  1. 1. MATERIALES DE ULTIMA GENERACION Y MATERIALESEFICIENTES:HORMIGON REFORZADO CON FIBRAS DEARAMIDAAlberto Moral Borque . arquitectoMáster Oficial en Proyecto de Arquitectura y Ciudad . ETSAG . UAH junio 2007
  2. 2. HORMIGON REFORZADO CON FIBRAS DE ARAMIDA1. FIBRA DE ARAMIDALas fibras de aramida, o poliamida aromática, se fabrican cortando uns solución del polímero a través de unahiladora. Esto produce una fibra con una estabilidad térmica alta, una alta resistencia y una alta rigidezdebido a uniones fuertemente organizadas del polímero semicristalino.Las cadenas poliméricas alineadas dan una resistencia y una rigidez más importante en la direcciónlongitudinal que en la transversal. Las fibras de aramida tienen un CET negativo en la dirección longitudinal ypositivo en la radial.La fibra de aramida es fibrilar ( en forma de fibras) en su microestructura lo que le da propiedades de flexióny de compresión débiles. Las fibras son bastante duras y resistentes a tracción longitudinal. Además, sonexcelentes en resistencia a impacto balístico.Las temperaturas típicas de utilización para las fibras de aramida oscilan entre los -200ºC y los +200ºC,pero la oxidación limita su utilización por encima de los 150ºC.La exposición a la humedad facilita el comportamiento debido a la interacción del agua con las estructurasmoleculares y cristalográficas de las fibras de aramida.
  3. 3. Como las radiaciones ultravioleta degradan las fibras de aramida, estas deben estar en una matriz protectora.Se podrían utilizar tratamientos de superficie para mejorar la adherencia entre las fibras y la matrizpolimérica.
  4. 4. 2. DESARROLLO DE LAS FIBRAS DE ARAMIDAA finales de los años 60, la empresa du Pont desarrolló una nueva clase de polímeros, poliamidasaromáticas para-orientadas (aramidas), que poseían internamente cadenas moleculares rigidas en unaconfiguración extedida. Las poliamidas aromáticas no son adecuadas para hilados viscosos; sin embargo,bajo determinadas condiciones de concentración, disolvente, peso molecular y temperatura pueden llegar aformar soluciones líquido-cristalinas. Estas soluciones pueden fluir a través de un hilador consiguiendo unproducto fibroso de muy alta orientación.De forma similar a las fibras de vidrio o carbono, la curva tensión-deformación de las aramidas es casi linealhasta su rotura. Al menos tres fibras de aramida disponibles en el mercado (Kevlar49-DuPont, HM50-Teijin,Twaron-Teijin) han sido experimentadas para reforzar composites con matriz de cemento. Las propiedadesrelativas a la tensión de estas tres fibras se muestran en la Tabla-1.La combinación de baja densidad con alta resistencia y alto módulo elástico confiere a las fibras de aramidala mayor resistencia a tracción específica de cualquier material y un razonablemente alto módulo elásticoincluso en comparación con la fibra de carbono. Las aramidas sometidas a tensión tienen una buenaestabilidad dimensional, con deformación similar a la del acero después de un corto periodo inicial.Las deformaciones en Kevlar49 son menores al 20% de la deformación inicial elástica después de variosaños de esfuerzo. Se ha observado que la deformación depende de la temperatura y esto podría sersignificativo sólo para niveles de carga superiores al 70% del punto de rotura. A compresión, las aramidasson elásticas a baja deformación, pero llegan a ser perfectamente plásticas con altas deformaciones. Elcomienzo de la fase plástica durante la compresión surge por la cizalladura de las cadenas moleculares queconduce a la formación de plegados oblicuos dentro de la fibra. En comparación con las fibras de carbono,las aramidas sobreviven intactas curvándose al someterse a compresión. Este comportamiento estecnológicamente importante porque facilita el proceso de tejido, trenzado y entrelazado. Las aramidas tienencomparativamente una alta estabilidad térmica, no funden, y solo se descomponen en el aire a temperaturassuperiores a los 450ºC. La alta durabilidad de los hilos de Kevlar49 y de las hebras de Kevlar49/epoxy
  5. 5. sometidas a pruebas de alta temperatura para acelerar el colapso han indicado una vida teórica superior a los100 años con esfuerzos entre el 50% y el 60% del máximo nominal.Desde su introducción comercial en 1972, las aramidas han sido empleadas en una gran variedad deaplicaciones, entre las que se incluyen: neumáticos, gomas, cuerdas y cables, balística, cintar y redes,plasticos reforzados, materiales para aviación y aeroespaciales, materiales deportivos, eléctricos y pultrusión.
  6. 6. 3. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL HORMIGON REFORZADO CON FIBRASLos hormigones reforzados con fibras presentan ciertas ventajas técnicas como material de armadura para elhormigón y como fibra corta proyectada. Entre los factores más ventajosos se pueden citar:a) No se oxidan: no son corrosivos. Todas las fibras son estables en ambientes carbonatados y las fibras dearamida y de carbono muestran buena resistencia a los ambientes ácidos y alcalinos.b) Son resistentes a los medios agresivos con presencia de iones de cloruro.c) Son insensibles a las corrientes electromagnéticas; aunque en menor grado las fibras de carbono.d) Tienen muy buena resistencia a tracción y bajo peso.Estas cualidades hacen de las fibras un sustituto ideal para la armadura convencional de acero siempre queel hormigón o la estructura esté expuesta a agentes corrosivos (medios marinos, gas carbónico, gasescorrosivos, productos químicos) o que las armaduras no deban conducir ninguna carga eléctrica.No obstante tienen inconvenientes que pueden ser resumidos an los siguientes puntos:a) Costo demasiado elevado (de 2 a 30 veces el del acero).b) Módulo de elasticidad relativamente bajo, salvo para las fibras de carbono.c) Ausencia de deformación plástica.d) Alta resistencia axial frente a la resistencia a cortante.e) Degradación al contacto con rayos ultravioleta.f) Reacción de las fibras de vidrio con los álcalis.g) Falta de experiencia y dudas en la utilización de materiales no probados,h) Falta de conocimiento en la concepción y cálculo de estructuras de hormigón reforzadas con fibras.
  7. 7. 4. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRA CORTA DE ARAMIDAEl primer trabajo experimental usando fibras de aramida como refuerzo del hormigón se realizó a mitad delos años 70 del siglo XX: Walton y Majumdar 1978. Los filamentos de Kevlar49 se cortaron en pequeñostrozos y se mezclaron con la matriz de cemento. Un sistema modificado de riego a presión permitió incluiren el composite un máximo del 2% por volumen de fibra, pero la dispersión de las fibras no fuecompletamente satisfactoria. Aún con estos probles de incorporación de las fibras, el módulo de ruptura delcomposite resultó entre 5,8 – 6,1 ksi (40 – 42 MPa), y la tensión última entre 2,0 – 2,3 ksi (14 – 16 MPa).La durabilidad y resistencia al fuego llegó hasta los 750ºF (400ºC), que resultó bastante satisfactorio.Un estudio posterior de Akihama y colaboradores, de 1986, fue realizado en Japón usando filamentos deHM50 cortados en longitudes de entre 1mm a 10mm (con un ratio proporcional de 80 a 800) y con uncontenido de fibras por volumen de hasta el 3%. Se confirmó que las aramidas eran unas excelentes fibras derefuerzo para el hormigón, pero que previamente a su comercialización debían resolverse los problemas demejora en el sistema de proyección e incorporación, así como el la determinación de la longitud de fibraóptima.En 1988 Gale y colaboradores realizaron pruebas combinando fibras cortas de aramida con nueva pulpa dearamida en una proporción de 1 a 2 en peso para reemplazar el amianto en composites de cemento. Sedescubrió que un 6% en peso de la mezcla de fibras tenía la misma resistencia a la flexión y tres veces másde tenacidad que un composite reforzado con el 15% de fibras de amianto. Las fibras de Kevlar49 habíansido empleadas, por tanto, para reforzar cementos con el propósito principal de mejorar su tenacidad y elcomportamiento a impacto.Con la intención de superar los problemas de dispersión de los filamentos individuales de aramida, sedesarrolló una fibra corta por corte de una haz de fibras trenzado de filamentos de Kevlar49 impregnado deepoxy (fig. 1). Los haces trenzados podían ser cortados a la longitud deseada y la superficie exterior de loshaces podía también ser tratada para mejorar la adherencia mecánica con la matriz (debido al trenzado,disminuye la cantidad de superficie adherente de las fibras con la matriz). Con esta tecnología un volumenalto de fibra podía ser añadido a la matriz sin problemas de dispersión. Es precisamente este tipo de fibra elque se empleará Antonio Nanni en 1992 para el análisis del hormigón reforzado con aramida.
  8. 8. Proyecto de investigación acerca de las “Propiedades del hormigón y del SIFCON reforzados con fibras dearamida”Hormigón reforzado con fibrasEl objetivo de esta fase de análisis fue la evaluación del comportamiento de las fibras de aramida trenzadascon impregnación de epoxy en relación con fibras tradicionales como las de acero y polipropileno cuando seusan como refuerzo de la matriz de cemento Pórtland del hormigón. Las características de todas las fibrasempleadas se detallan en la Tabla-2, y las propiedades de la matriz se dan en la Tabla-3. Todas las fibras seañadieron a la matriz del hormigón como último componente de la mezcla según los porcentajes mostradosen la Tabla 4. Las muestras fueron tomadas en moldes de acero y vibradas individualmente. Los test fueronrealizados en el día 28 o muy poco después.
  9. 9. Vigas de 102 x102 x 356mm fueron sometidas a pruebas de flexión con los resultados mostrados en las figs.4,5 y 6 para aramida, acero y polipropileno respectivamente. En estas gráficas, para las fibras de aramida yde acero se observa que, según el contenido en fibra aumenta, así lo hace la capacidad de carga después dela primera fisura. Esto se muestra, de acuerdo con los cálculos, en los índices de tenacidad que se observanen la fig. 7. Sólo un pequeño incremento en la resistencia a la primera fisura como función del contenido enfibra se puede apreciar en el hormigón reforzado con fibras de aramida y acero. Esta observación se confirmacon los tests de rotura a tracción realizados con muestras cúbicas y cilíndricas. La fig. 8 muestra la relaciónentre la fuerza de rotura nominal de la deformación por tracción medida sobre el diámetro horizontal de lasmuestras de hormigón reforzado con fibras de aramida.
  10. 10. SIFCONEl objetivo de la segunda fase del proyecto realizado por Antonio Nanni fue la evaluación del comportamientodel SIFCON usando fibras de aramida y de acero. Se rrealizaron dos tipos de muestras usando el cementoslurry descrito en la tabla 5.Un grupo de muestras consistía en planchas de 102 x 102 mm con espesores de 6, 13 y 19 mm (0.25, 0.50y 0.75 pulgadas respectivamente). Primero fue rociado el molde con el peso predeterminado de fibrasnecesarias para ocupar la totalidad del volumen de éste. Esta cama de fibras fue entonces infiltrada con elcemento slurry sin vibrarlo para impedir que las fibras de aramida se desplazasen a la superficie.El segundo tipo de muestras se componía de vigas de 76 x 25 x 356 mm compuestas por dos capas dematerial. Para la primera capa, se roció el molde con el peso predeterminado de fibras (ver tabla 5) hastaocupar la mitad de su volumen total; a continuación se añadió un agregado de áridos sobre la capa de fibrashasta llenar el molde completamente. En este punto, los vacíos intersticiales fibra-grava se llenaroncon elcemento slurry (sin vibración). La capa de grava tenía la doble función de facilitar la fabricación (las fibrasmantenían su posición), y la de confinar las fibras en la zona traccionada.La fig. 9 muestra dos secciones transversales de las vigas por capas con los refuerzos de fibras cortas dearamida.La perdida de resistencia de aproximadamente el 25% que se produce al incluir la grava se debe a lapresencia de burbujas de aire que no pudieron escapar al no vibrar la muestra.Los tests de flexión-deformación estática de las vigas se muestran en la Fig. 10. La resistencia a la primerafisuración del SIFCON reforzado con acero está claramente influida por la presencia de las fibras, como seobserva con el incremento de aproximadamente 2.5 veces sobre el valor de la matriz sin refuerzo. Las fibras
  11. 11. de acero producen una mayor resistencia a la fisuración con un menor contenido en fibras de acero que dearamida. La resistencia a posteriores figuraciones después de la primera fisuración fue sin embargo mayor enel caso de la fibra de aramida. Las vigas con ambos tipos de refuerzo mostraban una destacablepseudoductilidad percibiéndose sólo una fisuración inicial (y no múltiple) visible a simple vista en el terciocentral de la muestra.Asimismo se realizaron tests de impacto sobre las placas de muestra. La Fig. 11 muestra los resultadosesperados para la muestra de 19 mm (0.75 in) de espesor, consistentes en una matriz plana y dos curvas(una para SIFCON con aramida y otra con acero) en las que se aúnan los diagramas de fuerza de impacto vs.tiempo y energía de impacto vs. tiempo. Es claro que las muestras reforzadas con fibra mejoran elcomportamiento de la matriz an ambos casos hasta la máxima capacidad de carga y de absorción de energía.Además, las muestras con fibra no se hicieron pedazos tras el impacto.La Fig. 12 resume en un diagrama mixto todos los resultados obtenidos de las pruebas de impacto. Para lostras tipos de muestras, el diagrama de barras representa la carga máxima vs. espesor de la placa; mientrasque el diagrama lineal representa la energía total de impacto vs. espesor de la placa.
  12. 12. 5. ANALISIS Y CONCLUSIONESEl hormigón reforzado con fibras de aramida presenta unas características bastante parecidas al hormigónreforzado con fibras de acero.Puesto que los trenzados de aramida son bastante rígidos y no se curvan durante el mezclado, su inclusiónen el hormigón reduce considerablemente su trabajabilidad. Con un equipo habitual de mezclado, el máximovolumen de fibras de aramida está entre el 2.0% y el 2.5%, igual que en el caso del acero.Debido a que el diámetro de la fibra no puede ser reducido considerablente sin causar deformacionespermanentes durante la fase de mezclado, la proporción de fibra sólo puede ser variada aumentando lalongitud de las fibras.En lo que respecta a las propiedades habituales del hormigón, las fibras de aramida modificanprincipalmente el comportamiento a fisuración de la matriz de hormigón. Para la misma proporción de fibras,el fallo se produce antes en el hormigón con fibras de acero por la separación de éstas.Para contenidos en fibra por volumen del 1% y superiores, la ductilidad del hormigón con fibras de aramidaes notable. Si lo comparamos con un hormigón reforzado con el mismo contenido de fibras de acero, seobserva que las fibras de aramida tienen una mayor resistencia a separación si son rectas y con un ratioproporcional por encima del 40.A igual contenido por volumen, parece que tanto la resistencia a la primera rotura como la tenacidad delhormigón reforzado con fibras de aramida son superiores, probablemente como resultado de la relación de15 a 1 en el módulo elástico.Respecto al comportamiento de las muestras de vigas por capas sometidas a flexión estática, se podría decirque los reducidos valores mostrados para la resistencia a la primera rotura son causados por el aire quecontenía la muestra, posiblemente mayor que en el caso de las fibras de acero debido a su tamaño superioral de estas últimas, lo que provoca una mayor porosidad en la muestra. En el caso de la muestra con grava,un vibrado solucionaría este problema ya que además las fibras quedarían atrapadas bajo la grava y sin subira la superficie.Sin embargo parece que los resultados a impacto demuestran que el comportamiento de las fibras de aceroes superior al de las de aramida, incrementándose a medida que crece el espesor de la muestra. Podríadeducirse que las fibras de aramida serían más convenientes para aquellos casos en los que la esbeltez de lapieza fuese necesaria.Estas investigaciones experimentales parecen demostrar que el comportamiento de las fibras sintéticas dearamida impregnadas de epoxy actúan de forma similar que las fibras de acero para el refuerzo de matricesde hormigón y de slurry.
  13. 13. La ventaja de la aramida sobre el acero es en la reducción de los problemas de corrosión, y sobre elpolipropileno, en un mejor comportamiento global.Por contra, el uso generalizado de la aramida, se ve todavía frenado por los altos costes tanto de materialcomo de fabricación y procesado que todavía posee.Sin embargo, la posibilidad de extender su uso para SIFCON, extrusionados y laminados donde la presenciade las fibras es esencial para conseguir grandes resistencias en elementos de gran esbeltez, el refuerzo dearamida puede tener un papel fundamental.Otro campo de aplicación de las fibras de aramida como refuerzo del hormigón, y que no se ha estudiado eneste trabajo, es el de aplicaciones como refuerzo de fibra larga o formando cables y tendones. A esterespecto, según la mayoría de investigaciones, sus mejores resultados se obtienen, en el caso del hormigón,para estructuras con cables pretensados de fibras de aramida.
  14. 14. BIBLIOGRAFIA# Material ArchitectureJohn FernándezArchitectural Press 2006# The Effect of Ultraviolet Light on Mechanical Properties of Kevlar49 CompositesFritz LarssonJournal of Reinforced Plastics and Composites 1986# Mechanical Joining of Aramid Fibre CompositesDe Koning and Van DreumelJournal of Reinforced Plastics and Composites 1983# Tensile Properties of Portland Cement Reinforced with Kevlar FibersKonczalski and PiekarskiJournal of Reinforced Plastics and Composites 1982# Properties of Aramid-Fiber Reinforced Concrete and SIFCONAntonio NanniJournal of Materials in Civil Engineering 1992# DuPont – KevlarWEB# Teijin – TwaronWEB

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