Influencia del tiempo de exposición de temperaturas en el comportamiento en fractura de hormigones autocompactantes reforzados con fibras de polipropileno

VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 1/10 Influencia del tiempo de exposición de temperaturas en el comportamiento en fractura de hormigones autocompactantes reforzados con fibras de polipropileno Influence of exposure time of temperatures on fracture behaviour of self-compacting concrete reinforced with PP fibres José David RÍOS JIMÉNEZ Ingeniero Industrial Universidad de Sevilla Doctorando [email protected] Héctor CIFUENTES BULTÉ Dr. Ingeniero Industrial Universidad de Sevilla Profesor Contratado Doctor [email protected] Carlos LEIVA FERNÁNDEZ Dr. Ingeniero Industrial Universidad de Sevilla Profesor Contratado Doctor [email protected] Fernando MEDINA ENCINA Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Universidad de Sevilla Profesor Titular de Universidad [email protected] RESUMEN El presente estudio está centrado en el efecto de la adición de fibras de polipropileno, de diferente longitud, al comportamiento en fractura de un hormigón de alta resistencia sometido a diferentes niveles de temperatura y tiempos de exposición. La longitud de las fibras debe influir en estas propiedades, ya que se sabe que cuanto mayor es la longitud, mayor es la resistencia del hormigón reforzado frente a la rotura. Esto es de gran interés para la aplicación de este tipo de hormigones en sistemas de almacenamiento de energía termo solar. En estas aplicaciones, el hormigón es uno de los materiales de mayor interés por su capacidad térmica de almacenamiento, su trabajabilidad, disponibilidad y bajo coste. ABSTRACT This work is focused on the study of the effect of the addition of polypropylene fibres, with different length, on the fracture behaviour of a fiber-reinforced high-performance concrete subjected to different conditions of temperatures and exposure time. Fibre length must influence on the mechanical properties of concrete since it is known that longer fibres produce a better improvement of its strength. This aspect is very important for the study of the applicability of these types of concrete in solar thermal storage systems. In these applications, concrete is one of the most interesting materials due to its thermal storage capacity, workability, availability and low cost. PALABRAS CLAVE: hormigón reforzado con fibras, fibras polipropileno. KEYWORDS: fibre-reinforced concrete, polypropylene fibres. 1. Introducción Los hormigones de alta resistencia son muy usados en aplicaciones en las cuáles la estructura esté sometida esfuerzos importantes. Sin embargo, estas estructuras están significativamente más afectadas por el efecto de la incidencia de altas temperaturas (desconchamiento y agrietamiento), VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 2/10 llegándolas a deteriorar más rápidamente que a elementos estructurales fabricados con hormigón de resistencia normal. La adición de fibras de polipropileno (PP), en la matriz del hormigón de alta resistencia, reduce el daño producido por las altas temperaturas, mejorando el comportamiento mecánico de estos hormigones durante más tiempo. Existen algunos estudios relativos a la cantidad óptima de fibras de PP para mejorar el comportamiento de hormigones expuestos a altas temperaturas [1,2], pero éstos no estudian en detalle el efecto de la longitud de las fibras de PP. La longitud de fibras debe jugar un papel importante sobre todas aquellas propiedades mecánicas relativas al comportamiento en fractura del hormigón ya que las fibras más largas tienen una mayor resistencia a tracción. El tiempo de exposición también debe jugar un papel importante en aquellas aplicaciones en las que el hormigón sea expuesto a altas temperaturas durante un periodo de tiempo prolongado. Uno de estos ejemplos de aplicación sería los sistemas de almacenamiento de energía termo solar mediante sal fundida. En esta aplicación, el uso de contenedores de hormigón para el almacenamiento del calor sensible es una de las opciones que están siendo estudiadas debido a la buena capacidad de almacenamiento térmico del hormigón, pero también a su facilidad de fabricación, disponibilidad en cualquier parte del mundo y por sus reducidos costes de producción. En este trabajo se ha llevado a cabo un estudio de la influencia de diferentes niveles de temperatura (24ºC, 100 ºC, 300 ºC, 500 ºC y 700ºC) sobre el comportamiento en fractura de un hormigón de alta resistencia, analizando sus propiedades mecánicas (energía de fractura, resistencia a compresión, módulo de Young y resistencia a tracción indirecta). Para ello se han fabricado tres tipos de hormigones diferentes, uno de ellos sin fibras de PP (D0), otro con fibras de PP de 6 mm de longitud (D1) y el último con fibras de PP de 24 mm de longitud (D2). Todo ello para tres diferentes tiempos de exposición (6, 24 y 48 horas). Para cada una de las temperaturas y tiempos de exposición descritos, se fabricaron cuatro probetas cúbicas de 50 mm de lado, probetas prismáticas de 50x50x220 mm y cilíndricas de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura. El artículo está organizado como sigue: el estudio experimental se presenta y describe en la sección 2, aquí se especifican los hormigones utilizados y los ensayos realizados. En la sección 3 se presentan los resultados obtenidos y se expone un análisis de los mismos. Finalmente, en la sección 4 se presentan las conclusiones extraídas. 2. Estudio Experimental 2.1. Materiales El tipo de material empleado en el presente estudio es un hormigón de alta resistencia autocompactante cuya matriz está reforzada frente a efectos de temperatura mediante la adición de fibras de PP. La dosificación del hormigón se ha determinado mediante el procedimiento descrito por Deeb y Karihaloo [3]. Se realizaron las modificaciones necesarias para adaptar su aplicación a los materiales disponibles en el Laboratorio de Estructuras de la ETSI de Sevilla. Para este estudio fueron realizados tres tipos de hormigones diferentes. Un hormigón D0 correspondiente al hormigón de control (sin fibras de PP), un hormigón con fibras de PP de 6 mm de longitud (D1) y un hormigón reforzado con fibras de 24 mm de longitud (D2). Los componentes y el contenido para la fabricación del hormigón pueden verse en la Tabla 1. VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 3/10 Componentes Contenido (kg/m 3 ) Cemento II B-L 32.5R 460 Sika fume S-92-D (0.1 µm) 69 Arena caliza (<4 mm) 97 Arena silícea (<10 mm) 911 Arena silícea (<2 mm) 607 Sika Viscocorete 20 HE 16 Agua 91 Tabla 1. Componentes y contenido de la matriz de hormigón. Todos los hormigones contienen la misma matriz, y su única diferencia está en la adición o no de fibras de PP. Los dos tipos de fibras utilizadas poseen un diámetro de 33 µm con una resistencia a tracción de 450 MPa y dos longitudes diferentes 13 y 24 mm. La nomenclatura utilizada para los tres tipos de hormigones fabricados, así como su contenido de fibras y longitud pueden verse en la Tabla 2. Nomenclatura Cantidad de fibras (kg/m 3 ) Longitud (mm) D0 0 0 D1 1.2 PPF-6 mm D2 1.2 PPF-24 mm Tabla 2. Nomenclatura, tipo y cantidad de fibras. La temperatura de inicio de fusión de las fibras de PP es de 160 ºC. Para temperaturas superiores a los 450 ºC las fibras se funden completamente, de manera que para temperaturas intermedias las fibras se encuentran en un estado de fusión parcial. 2.2. Descripción de los ensayos El objetivo principal de este estudio es evaluar la evolución de las propiedades mecánicas con la temperatura y el tiempo de exposición para los diferentes hormigones, con y sin fibras de PP, para cuantificar la influencia de las fibras al efecto de la temperatura. Para ello se han medido diferentes propiedades de los materiales. La medida de la resistencia a compresión se llevó a cabo mediante probetas cúbicas de 50 mm de lado siguiendo las indicaciones de la norma EN 12390-3:2009 [4]. Los ensayos de tracción indirecta (brasileño) se han llevado a cabo mediante probetas cilíndricas de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura de acuerdo a la norma EN 12930-6:2010 [5]. El módulo de Young fue determinado a partir de probetas cilíndricas de 100 de diámetro y 200 mm de altura de acuerdo a la norma EN 1239013:2014 [6] manteniendo un incremento gradual de la carga hasta un tercio del valor de rotura máxima del hormigón y midiendo las correspondientes deformaciones mediante dos transductores LVDT montados sobres dos anillos concéntricos y separados una distancia igual a 2/3 de la altura de la probeta. Los ensayos para la determinación de la energía de fractura han sido de flexión en tres puntos sobre probetas prismáticas entalladas. Las dimensiones de las probetas son 50x50x200x220 mm con una VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 4/10 profundidad de entalla de ½ el canto de la probeta para todos los ensayos. Se puede ver un esquema de las probetas prismáticas en la Figura 1. Figura 1. Ensayo de fatiga en flexión en tres puntos. Para evaluar el comportamiento mecánico de estos hormigones cuando están expuestos a diferentes niveles de temperatura durante un tiempo de exposición prolongado, se realizaron los ensayos en probetas a temperatura ambiente (24 ºC), 100 ºC, 300 ºC, 500 ºC y 700 ºC para una exposición ininterrumpida de 6, 24 y 48 horas. Para 1000 ºC se intentó medir las propiedades, pero todas las probetas se rompieron antes de poder realizar los ensayos. Las probetas fueron calentadas en un horno eléctrico junto a la máquina de ensayos, de manera que las probetas eran extraídas del horno y colocadas en la máquina de ensayos tan rápido como era posible, para evitar que la temperatura disminuyera lo mínimo posible. La temperatura en el instante del ensayo y posterior, fue medida mediante un termómetro de infrarrojo con el fin de controlar el descenso de temperatura real. Debido a la imposibilidad de manipulación de las probetas en los ensayos a las temperaturas más elevadas y de la colocación de ciertos útiles de medida, los ensayos en caliente presentan las siguientes variaciones: • Los ensayos a compresión simple se han realizado de igual modo, independientemente de la temperatura. • Los ensayos a tracción indirecta se han realizado únicamente a temperatura ambiente. La resistencia a tracción está relacionada con la carga de pico del ensayo a flexión en tres puntos, de manera que para las probetas a temperatura elevada se ha analizado la variación de la resistencia a tracción mediante el análisis de dicha carga de pico. • Los ensayos para determinar el módulo de Young solo se han realizado a temperatura ambiente. Para su determinación en el caso de temperaturas elevadas, la variación del módulo de Young se ha determinado mediante la pendiente del tramo prepico de la curva carga-desplazamiento del ensayo a flexión en tres puntos. • Para la determinación de la energía de fractura se ha registrado la curva cargadesplazamiento (P-δ) para todos los ensayos. La determinación de la energía de fractura se ha realizado de acuerdo con el método de trabajo de fractura RILEM [7]. Las modificaciones propuestas por Planas, Guinea y Elices [8–10] se han llevado a cabo. 3. Resultados y discusión En la Figura 2 pueden verse los valores de la energía de fractura para los tres tipos de hormigones para cada tiempo de exposición. Entre 25 ºC y 100 ºC, la energía de fractura tiene una tendencia VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 5/10 decreciente para todos los hormigones (Figura 2.a, b y c) debido a que la matriz no está aún muy dañada a esa temperatura y, en consecuencia, el vapor que se encuentra en el interior del hormigón, no puede evacuarse con facilidad. Esto lleva a unos gradientes térmicos en la matriz que reducen la energía de fractura [11]. Para temperaturas entre 100 ºC y 500 ºC, la energía de fractura aumenta porque la matriz está más dañada y el vapor puede evacuarse con mayor facilidad. A 700 ºC, es cuando se alcanza un alto nivel de micro agrietamiento, deshidratación y descomposición llevando a reducir notablemente la resistencia [12]. Para el caso del hormigón con fibras, a 25 ºC y 100 ºC, la energía de fractura alcanza valores ligeramente superiores que en D0, ya que las fibras pueden llegar a compensar el efecto negativo de la presión inicial cosiendo el frente de grietas [12,13]. Entre 100 ºC y 500 ºC, la porosidad aumenta porque las fibras están parcialmente fundidas. Esto lleva a evacuar más fácilmente el vapor interno, así como a aumentar la ductilidad del material. Por encima de los 500 ºC, las fibras están completamente fundidas, el nivel de poros es significativamente mayor y el ablandamiento del material aumenta considerablemente [12]. Cuando las fibras más largas están fundidas completamente dejan canales mayores en la matriz, de manera que el vapor interno se escapa más fácilmente y se observa una ligera reducción del daño [14]. Los resultados relativos al tiempo de exposición no dejan ver con claridad una tendencia general. Esto puede ser debido a que la temperatura fijada en cada ensayo se establece en todos los puntos de la probeta con un tiempo de exposición inferior a 6 horas, así las probetas calentadas a 24 y 48 horas presentan efectos térmicos similares. Figura 2. Evolución de la energía de fractura para cada tiempo de exposición y hormigón: (a) D0 sin fibras, (b) D1 con fibras de 6 mm y (c) D2 con fibras de 24 mm. VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 6/10 Los valores de resistencia a compresión para cada uno de los ensayos realizados (D0, D1 y D2) se muestran en la Figura 3. Para los tres hormigones estudiados (Figura 3.a, b y c) se observa una tendencia decreciente-creciente-decreciente y para cada tiempo de exposición (6, 24 y 48 horas). Esto es similar al comportamiento mostrado por Zhang y Bicanic [11]. En el caso D0, la resistencia a compresión decrece cuando las probetas se calientan hasta 100 ºC debido a la presión de vapor en el interior del material. Entre 100 ºC y 300 ºC, la temperatura produce un efecto de rehidratación en la pasta de cemento que mejora la resistencia a compresión [11,12]. Para temperaturas mayores a 300 ºC, el nivel de poros generados en la matriz es tal que la resistencia a compresión decrece a medida que la temperatura aumenta [11,12]. En referencia a los hormigones con fibras (Figura 3.b y c), la resistencia a compresión decrece para temperaturas por debajo de 100 ºC, debido a la presencia de fibras de PP. Este efecto puede llegar a ser más significativo cuanta más cantidad de fibras de PP contenga la matriz [15]. Cuando la temperatura está entre 100 ºC y 300 ºC, las fibras están parcialmente fundidas y la presión de vapor encuentra más canales para ser evacuada. Al no estar tan dañado el material, la resistencia a compresión decrece menos que para el hormigón D0. A partir de 500 ºC, las fibras están fundidas completamente y el nivel de poros es tan elevado que la resistencia a compresión decrece considerablemente. Este efecto es más significativo cuanto más largas son las fibras. Figura 3. Evolución de la resistencia a compresión para cada tiempo de exposición y hormigón: (a) D0 sin fibras, (b) D1 con fibras de 6 mm y (c) D2 con fibras de 24 mm. Los resultados relativo al módulo de Young se pueden ver en la Figura 4. La tendencia para cada hormigón (Figura 4.a, b y c) es siempre decreciente para todos los casos (D0, D1 y D2). Esto es debido al agrietamiento creciente que el incremento de temperatura genera en la matriz de hormigón VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 7/10 durante el proceso de calentamiento. Esto afecta significativamente al módulo de deformación para cualquier temperatura. La adición de fibras de PP mejora el módulo de Young del hormigón a temperatura ambiente [13,16], sin embargo a 100 ºC, se produce una caída drástica mostrando como la presión de vapor en la matriz del hormigón afecta rápidamente a esta propiedad. Entre 100 ºC y 700 ºC, se observa una caída en la pendiente de las curvas (Figura 4.a, b y c) llegando a alcanzarse una tendencia casi lineal. Aunque la adición de fibras produce una mejoría casi inapreciable en esta propiedad, se podría decir que tiene un efecto ligeramente positivo. Figura 4. Evolución del módulo de Young para cada tiempo de exposición y hormigón: (a) D0 sin fibras, (b) D1 con fibras de 6 mm y (c) D2 con fibras de 24 mm. En cuanto a la resistencia a tracción, se muestra una tendencia cualitativamente similar en los tres hormigones (Figura 5.a, b y c) como así también expusieron Zhang y Bicanic [11]. A temperatura ambiente, la adición de fibras de PP no hace mejorar la resistencia a tracción, independientemente de la longitud de fibras utilizadas [15]. En todos los casos (Figura 5.a, b y c), la resistencia a tracción decrece cuando la temperatura aumenta hasta 100 ºC. Este efecto es debido a la presión de vapor interna. Esta tendencia es similar a la que ya vimos para el caso de resistencia a compresión. Cuando la temperatura aumenta por encima de 100 ºC, se produce una hidratación de la pasta de cemento que hace incrementar la resistencia. Para temperaturas entre 500 ºC y 700 ºC, en las que las fibras están completamente fundidas (D1 y D2), el nivel de porosidad y el número de canales internos es mayor. En consecuencia, la caída de la resistencia a tracción de los hormigones es más significativa en comparación con el caso D0. VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 8/10 El efecto de las fibras de polipropileno es similar al caso de la resistencia a compresión. La adición de fibras en la matriz puede reducir, a temperatura ambiente, la resistencia inicial, debido a la baja capacidad portante de las fibras de PP. Sin embargo, su principal aportación se produce en el estado de fusión parcial (entre 160 ºC y 450 ºC aproximadamente) aumentando las vías de evacuación del vapor interno del material. Figura 5. Evolución de la resistencia a tracción indirecta para cada tiempo de exposición y hormigón: (a) D0 sin fibras, (b) D1 con fibras de 6 mm y (c) D2 con fibras de 24 mm. 4. Conclusiones Las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos son las siguientes: • En cuanto a la energía de fractura, la adición de fibras de PP genera una matriz más dúctil a tempratura ambiente y produce valores ligeramente superiores de energía de fractura. Cuando la temperatura aumenta hasta 100 ºC, la presión de vapor interna aumenta y esto provoca una rotura del material más abrupta, menor energía de fractura. Para temperaturas entre 100 ºC y 500 ºC, las fibras están parcialmente fundidas y hay más canales de escape de la presión interna, esto hace aumentar la energía de fractura. Sin embargo si continuamos calentando el hormigón, la deshidratación y descomposición del material es tan eleavada que su capacidad resistente es casi inexistente y la energía de fractura decrece drásticamente • La resistencia a compresión a temperatura ambiente se ve reducida con la adición de fibras, esto es así cuanto mayor sea la longitud de fibras. Este descenso se debe a que las fibras de PP son menos resistentes que el propio hormigón y a que éstas favorecen la aparición de porosidad durante el fraguado del hormigón en la interfaz fibra-hormigón. A 100 ºC la VII CONGRESO DE A Coruña, junio de 2017 9/10 resistencia a compresión decrece debido a la presión de vapor. A 300 ºC, cuando las fibras están fundidas parcialmente, hay menos presión de vapor y aumenta la resistencia a compresión. Para 500 ºC y 700 ºC el nivel de daño debido a la fusión de las fibras y la descomposición de la pasta de cemento a 700 ºC hace reducir drásticamente la resistencia a compresión. • El módulo de Young tiene una tendencia siempre decreciente con el aumento de la temperatura. A 100 ºC, es cuando se produce el descenso más abrupto debido a la presión de vapor interna. Entre 300 ºC y 700 ºC, la tendencia es más suave y casi lineal. A 300 ºC decrece debido a la fusión parcial de las fibras. A 500 ºC, es debido a la fusión total y a 700 ºC al nivel de daño tan elevado en la pasta de cemento. • En el caso de la resistencia a tracción su comportamiento es cualitativamente muy similar al de la resistencia a compresión. A temperatura ambiente, se produce un descenso debido a la adición de fibras de PP y la porosidad en la interfaz fibra-hormigón. A 100 ºC, cuando la fusión de las fibras no ha comenzado, se produce un descenso debido a la presión interna de vapor. A 300 ºC, con las fibras parcialmente fundidas, se produce un aumento debido a la mejor evacuación del vapor. Entre 500 ºC y 700 ºC, el nivel de porosidad es muy elevado hacicendo decrecer la resistencia. • Para longitudes de fibras mayores, mejor comportamiento a temperaturas medias, porque los canales son más largos y permiten una mejor evacuación de la presión. Sin embargo, para temperaturas elevadas, tras la fusión de las fibras, generan mayor nivel de poros en el material y las propiedades mecánicas decrecen rápidamente. • En refrencia al tiempo de exposición no se ha podido establecer una tendencia clara ya que las probetas alcanzaban la temperatura interna establecida en menos de 6 horas, de manera que el comportamiento térmico para cada tiempo de exposición es similar. Agradecimientos Los autores desean agradecer la financiación recibida para la realización de esta investigación por parte del Ministerio de Economía y Competitividad mediante el proyecto BIA2013-48352-P. 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