Análisis de las propiedades residuales de un hormigón autocompactante de alta resistencia reforzado con fibras de polipropileno sometido a altas temperaturas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Ingeniería Civil ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES RESIDUALES DE UN HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE DE ALTA RESISTENCIA REFORZADO CON FIBRAS DE POLIPROPILENO SOMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS Autor: Eduardo Sánchez García-Miña Tutor: Héctor Cifuentes Bulte Grupo de Estructuras Dep. Teoría de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería Civil ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES RESIDUALES DE UN H.A.R. AUTOCOMPACTANTE REFORZADO CON FIBRAS DE POLIPROPILENO SOMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS Autor: Eduardo Sánchez García-Miña Tutor: Héctor Cifuentes Bulte Dep. de Teoría de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 v Proyecto Fin de Grado: ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES RESIDUALES DE UN H.A.R. AUTOCOMPACTANTE REFORZADO CON FIBRAS DE POLIPROPILENO SOMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS Autor: Eduardo Sánchez García-Miña Tutor: Héctor Cifuentes Bulte El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2015 El Secretario del Tribunal vii A mi abuelo Eduardo Sánchez Rodríguez ix Índice de Figuras Ilustración 2.1: Curvas Carga – Desplazamiento para material dúctil, frágil y cuasi-frágil. 4 Ilustración 2.2: Rotura explosiva de un hormigón de alta resistencia (H.A.R.) 6 Ilustración 2.3: Diagramas tensión-deformación de hormigón, pasta de cemento y áridos en HC (Izq) y HAR (Der) 7 Ilustración 2.4: Formas de orientación de las fibras en el hormigón 10 Ilustración 2.5: Placa delgada (L>>t) con hueco elíptico bajo una tensión uniforme s. Cuando b 0 el hueco se convierte en una grieta (Problema de Griffith) 14 Ilustración 2.6: Tres modos posibles de deformación en la punta de la grieta 15 Ilustración 2.7: Distinción de las características de fractura en (a) un material elástico lineal, (b) 17 Ilustración 2.8: Ley de Efecto Tamaño de Bazant (curva continua). En línea discontinua aparece lo que predice el Criterio de Resistencia (Strength failure criterion) y la MFEL (LEFM) 18 Ilustración 2.9: Esquema de la corrección de la zona inicial no lineal de la curva P- δ 19 Ilustración 2.10: Energía de la cola que no se puede medir en un ensayo de flexión en tres puntos 20 Ilustración 2.11: Curva tensión-deformación de un H.A.R. a diversas temperaturas 22 Ilustración 2.12: Efecto de la temperatura en la resistencia a compresión del hormigón 23 Ilustración 2.13: de la temperatura en el módulo de elasticidad del hormigón 23 Ilustración 2.14: Temperaturas en el horno (furnace) y en el hormigón [centro (middle) y lateral(side)] a lo largo del proceso de calentamiento 24 Ilustración 2.15: Pérdida de peso a través del proceso completo de calentamiento-exposición-enfriamiento 25 Ilustración 2.16: Pérdida de peso última para diferentes temperaturas de calentamiento 26 Ilustración 2.17: Curvas cargadesplazamiento completas para varias temperaturas de calentamiento: (a) para las probetas de hormigón caliente, (b) para las probetas de hormigón frio 27 Ilustración 2.18: Energía de fractura para diferentes temperaturas de calentamiento 28 Ilustración 2.19: Energía de fractura frente a pérdida de peso última 29 Ilustración 3.1: Cemento Portland CEM II/B-L 32.5 N 31 Ilustración 3.2: Tamizadora de Grava (tamices de 2 y 10 mm) 32 Ilustración 3.3: % PASA – Arena Silícea 33 Ilustración 3.4: % PASA – Arena Caliza 34 Ilustración 3.5: a) Grava. b) Arena Caliza. c) Arena Silícea 35 Ilustración 3.6: Etiqueta y Características del Superplastificante Sike Viscocrete 20 HE 35 Ilustración 3.7: Humo de Sílice 36 Ilustración 3.8: Comparación tamaño de fibras (6 y 12 mm) 37 Ilustración 3.9: Dimensión de las Probetas. a) 218x48x48 mm. b) 48x48x48 mm 38 Ilustración 3.10: Planificación del número de probetas para los ensayos a realizar 39 Ilustración 3.11: Molde cubierto de desencofrante 39 xvii Ilustración 3.12: Hormigonado 40 Ilustración 3.13: Relleno de Moldes Nivelados 40 Ilustración 3.14: Desencofrado de las Probetas de Hormigón 41 Ilustración 3.15: Fraguado del Hormigón 41 Ilustración 3.16: Limpieza de Moldes 42 Ilustración 3.17: Tamizado de la Grava 43 Ilustración 3.18: Pesado de los Elementos 43 Ilustración 3.19: Mezclado de los Materiales. 1º Fase (Izq). 2ª Fase (Der) 44 Ilustración 3.20: Relleno de Moldes 44 Ilustración 3.21: Desencofrado 45 Ilustración 3.22: Curado del Hormigón 45 Ilustración 3.23 Corte de Probeta Original en Ocho Probetas 218x48x48 mm 46 Ilustración 3.24: Máquina de corte. Modelo Bali Mekano. Empresa Simasa 46 Ilustración 3.25 Probeta Prismática Entallada de dimensiones 218x48x48 mm 47 Ilustración 3.26: Corte Probeta 218x48x48mm en Cuatro Probetas de 48x48x48 mm 47 Ilustración 4.1: Máquina servo hidráulica modelo ME 406/15 marca Servosis 49 Ilustración 4.2: Ensayo de flexión en tres puntos. 50 Ilustración 4.3: Generador de funciones (PCD 2k) 51 Ilustración 4.4: Controles, Media de Canal 1 y 2, Trazador y Generador de Funciones (PCD 2k) 51 Ilustración 4.5: Condiciones de Contorno Ensayo Felxión en tres puntos 52 Ilustración 4.6: Panel de control Servosis para máquina de F3P y de compresión uniaxial 53 Ilustración 4.7: Canales, salidas/entradas, auxialeres y parada de emergencia 53 Ilustración 4.8: Ventada de Alarmas (PCD 2k) 54 Ilustración 4.9: Toma de medida del área de ligadura 54 Ilustración 4.10: Prensa hidráulica Servosis modelo MES 300 55 Ilustración 4.11: Elemento de ayuda para acople de la probeta 56 Ilustración 4.12: Pestaña de parámetros a introducir (PCD 2k) 56 Ilustración 4.13: Pestaña de resultados (PCD 2k) 57 Ilustración 4.14: Trazador y generador de funciones (PCD 2k) 58 Ilustración 5.1: Hormigón sin fibras (D0) 61 Ilustración 5.2: Hormigón con fibras de 6 mm (D1) 61 Ilustración 5.3: Hormigón con fibras de 24 mm (D2) 62 Ilustración 5.4: Curvas P-δ para hormigones sin fibras (D0) 62 Ilustración 5.5: Curvas P-δ para hormigones con fibras de 6 mm (D1) 63 Ilustración 5.6: Curvas P-δ para hormigones con fibras de 24 mm (D2) 63 Ilustración 5.7: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=100ºC (Medida Residual) 64 Ilustración 5.8: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=300ºC (Medida Residual) 64 Ilustración 5.9: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=500ºC (Medida Residual) 65 5.10: Energía de fractura (Gf Valores Medios) en función de la Temperatura para D0, D1 Y D2 66 Ilustración 5.11: Carga de Pico en función de la temperatura (D0, D1 y D2) 67 Ilustración 5.12: Resistencia a compresión frente a Tª para D0, D1 y D2 67 Ilustración 5.13: Módulo Élastico frente a Temperatura 70 Ilustración 5.14: Longitud Característica frente a Temperatura 71 Ilustración 6.1: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=100ºC (Medida Residual Corregida) 76 Ilustración 6.2: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=300ºC (Medida Residual Corregida) 77 Ilustración 6.3: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=500ºC (Medida Residual Corregida) 78 Ilustración 6.4: Energía de fractura (Gf) en función de la Temperatura para D0, D1 Y D2 79 xix 1 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 INTRODUCCIÓN El hormigón es el material de construcción más extendido del mundo, debido principalmente a dos causas: el bajo coste de fabricación y su capacidad de elaboración en cualquier parte del mundo. Sus inicios se remontan a los tiempos de los griegos y romanos, sin embargo, no es hasta el siglo XVIII cuando se produce su sobresaliente revolución. A partir de este punto, el ser humano se ha volcado en su estudio, realizando grandes avances en la mejora de sus propiedades (resistencia a compresión, resistencia frente a la corrosión, resistencia a la rotura, docilidad, etc). Dichos avances han hecho posible el desarrollo del hormigón que se va a estudiar en este proyecto: hormigón autocompactante de alta resistencia reforzado con fibras de polipropileno. Mediante la realización de ensayos en el laboratorio (ensayo de flexión en tres puntos, ensayo brasileño y ensayo a compresión uniaxial), se han obtenido las propiedades de fractura residuales de las probetas (energía de fractura, resistencia a la tración, módulo de deformación longitudinal y longitud característica) y con ellas, se ha cumplido el objetivo del proyecto, aplicar la mecánica de la fractura en el hormigón para obtener su comportamiento residual fente a la fractura y determinar la influencia de la adición de fibras sobre dicho comportamiento. 1.2 OBJETIVOS Es importante para la compresión del objeto de mi estudio saber que este proyecto se realizó con el fin de complementar un estudio que trata la influencia del tiempo de exposición del hormigón a altas temperaturas (hot concrete, (1)). La idea inicial era exponer dicho proyecto antes para poder comparar el hot concrete-cold concrete, idea que no se ha podido llevar acabo. Como la comparación hot/cold concrete no se ha podido realizar, el objeto del proyecto presente ha abarcado finalmente el análisis de las propiedades en frío (propiedades residuales) con temperaturas de 100, 300 y 500ºC. Además se ha estudiado la influencia de la adición de fibras de polipropileno de diferentes longitudes (6 y 24 mm) a la mezcla. 1.3 MORFOLOGÍA DEL CONTENIDO El presente proyecto queda dividido en siete grandes bloques: 1. Bloque I: Introducción y Objetivos. Se hace una breve introducción del proyecto y se expone el objetivo del mismo. 2. Bloque II: Estado del Arte. Se da una visión global de la evolución del hormigón además de los conocimientos teóricos necesarios para la compreión del presente proyecto. También se hace un breve resumen conceptual y teórico del comportamiento del hormigón en fractura y frente a altas temperaturas. Introducción y Objetivos 2 3. Bloque III: Fabricación de Probetas. En este bloque queda recogido detalladamente todo el proceso de elaboración de las probetas llevado a cabo en el laboratorio. 4. Bloque IV: Ensayos. Se enuncian los tipos de ensayos y se exponen los conocimientos necesarios para su compresión por parte del lector. 5. Bloque V: Resultados. Se enuncian los resultados recogidos de los ensayos. 6. Bloque VI: Análisis de Resultados. Se analizan los resultados enunciados en el bloque anterior. 7. Bloque VII: Conclusiones. Se exponen las principales conclusiones y resultados de la investigación. 3 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 HORMIGÓN CONVENCIONAL. 2.1.1 HISTORIA DEL HORMIGÓN CONVENCIONAL. En el siglo XVIII comienza la Revolución Industrial, que trae consigo una revolución en el ámbito de la construcción debido al comienzo de fabricación en masa de algunos materiales de construcción. Uno de esos materiales fue el hormigón. En 1812, Louis Vicat fabrica el primer cemento portland que luego patentaría Joseph Aspdin en 1824. Aunque su aplicación en el hormigón fue tímida inicialmente, antes de que finalizara el siglo XIX ya se habían realizado construcciones importantes de hormigón armado y con la llegada del siglo XX, el hormigón pasó a convertirse en el material de construcción más empleado en todo el mundo. El existo del hormigón como material de construcción reside en la facilidad para fabricarlo en cantidades abundantes y en cualquier lugar del mundo, sin dejar de ser un material económico. Otro hecho significativo en la evolución del hormigón fue la mejora del proceso de producción del cemento Portland llevada a cabo por Isaac Johnson en 1845. Tomando como referencia sus avances, se empezaron a abrir fábricas por toda Europa. Sin embargo, hasta el año 1900 aproximadamente, no empezó el crecimiento notable de la industria del cemento, debido fundamentalmente a dos factores: en primer lugar, los experimentos realizados por los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y por el alemán Michaélis, con los que se logró producir cemento de calidad uniforme, que pudiera ser usado en la industria de la construcción. En segundo lugar, dos invenciones mecánicas muy importantes se hicieron al principio del siglo: los hornos rotatorios para la calcinación y el molino tubular para la molienda. Con estas dos máquinas, pudo producirse el cemento Portland en cantidades comerciales. A partir de ese momento, se desarrolla el rápido crecimiento de esta industria, que hoy produce un material de construcción imprescindible, dentro del actual sistema de vida. La principal característica del hormigón es su alta resistencia frente a esfuerzos de compresión. Sin embargo, su comportamiento a tracción no es bueno por lo que se añaden armaduras. Así nace el hormigón armado, patentado por Joseph Monier en 1867. Históricamente el mérito del desarrollo del hormigón armado se atribuye al constructor William Wilkinson. En 1903 en la ciudad de Hamburgo, Alemania, se transportó el primer metro cúbico de hormigón Estado del Arte 4 durante 11 km. Este hecho lo logró el ingeniero Juergen Hinrich Magens, Con el fin de la Primera Guerra Mundial, la escasez de acero en toda Europa propició el desarrollo del hormigón pretensado. Su inventor fue Eugene Freyssinet que registró su primera patente y desarrollo su teoría sobre el hormigón pretensado en 1928. 2.1.2 RESUMEN TEÓRICO DEL HORMIGÓN ESTRUCTURAL Desde el punto de vista teórico, el hormigón es un material de origen pétreo obtenido a través de la mezcla de árido grueso (gravas), árido fino (arenas), agua, cemento y una serie de aditivos. El hormigón presenta una serie de defectos y fisuras internas desde sus primeras horas e incluso antes de estar sometido a cargas externas. Estos defectos o grietas van creciendo de manera estable como respuesta a la aplicación de una carga estable, uniéndose con otras grietas nuevas o ya existentes y dando lugar a una macrogrieta, que son las causantes del colapso de la estructura (2). Si se observa la curva tensión-deformación del hormigón, se puede ver claramente que el comportamiento del hormigón no es ni frágil, ni dúctil, sino que presenta un comportamiento cuasi-frágil. Ilustración 2.1: Curvas Carga – Desplazamiento para material dúctil, frágil y cuasi-frágil. Fijándose en la curva tensión-deformación para materiales cuasi-frágiles, se observan cuatro tramos bien diferenciados: 5 - Tramo OA: Tramo elástico lineal. - Tramo AB: Tramo de no linealidad que precede al pico de la curva. Aparecen microfisuras internas que culminan en la formación de una macrofisura en el máximo (B). - Tramo BC: Tramo de no linealidad en el que se produce el ablandamiento del material. - Tramo CD: Tramo de no linealidad. Esta cola final se origina por los efectos de fricción y la conexión entre los granos de agregado. . 2.2 HORMIGÓN DE ALTAS PRESTACIONES 2.2.1 HISTORIA DEL HORMIGÓN DE ALTAS PRESTACIONES Los hormigones llamados de alta resistencia llegan con las primeras reducciones de la habitual relación agua/cemento (0.45-0.5), llevadas a cabo en Japón en 1950. Dicha reducción trajo consigo una mejora en algunas propiedades del hormigón, principalmente en la plasticidad, compacidad y resistencia. Durante estos años, se desarrollaron también los aditivos oclusores de aire, que permitieron mejorar aspectos relativos a la resistencia del material frente a la acción del hielo y su docilidad. Durante los años 70, se produce un avance en la tecnología utilizada para fabricar cementos y se produce la llegada de una nueva generación de aditivos químicos en Alemania y Japón, los agentes dispersantes de alto poder. Estos aditivos reciben el nombre de superfluidificantes o reductores de agua de alta eficiencia, y como su propio nombre indica, permiten reducir notablemente la relación agua/cemento y por consiguiente aumentar significativamente los valores de resistencia. Al mismo tiempo, comienza la utilización del humo de sílice o microsílice en la fabricación de los hormigones, estas partículas al ser tan pequeñas, actúan como un filler llenando los espacios vacíos en la pasta haciendo que el hormigón tenga mayores propiedades adherentes, creando mayor compacidad a la vez que brinda más fluidez a la mezcla. Además ayuda a reducir la exudación de agua en la superficie y proporciona reducciones significativas en la permeabilidad del hormigón, hecho que acarrea la mejora en la durabilidad del mismo. En cuanto a la resistencia del hormigón, se han determinado aumentos significativos desde 20 a 50 % [Silica Fume Association - Concrete], obteniéndose mayores beneficios con el uso de superplastificantes. Cuando éstos se usan, el contenido de microsílice varía entre el 5 y el 15 % del peso del cemento. Otra de las propiedades que ofrece el uso del humo de sílice es el incremento de la resistencia al Estado del Arte 12 Las ventajas del HAC también inciden en los aspectos medioambientales, al reducir los ruidos, especialmente importante en plantas de prefabricación y obras en entornos urbanos (10) y sobretodo, en aspectos relativos al ambiente de trabajo y la salud laboral, mejorando las condiciones ambientales y eliminando los riesgos laborales imputables a la compactación. Sin embargo, la dosificación de este tipo de hormigón es más compleja que la de un hormigón vibrado (11) debido a la necesidad de encontrar un equilibrio entre sus propiedades en fresco. Éstas dependen de distintos mecanismos: elevada trabajabilidad, estabilidad después de transportado, y capacidad de paso entre armaduras sin retención de los áridos. Una alta trabajabilidad, suele requerir un elevado volumen de pasta, el cual conduce a un incremento de la retracción y de la fluencia. Además, los diferentes materiales existentes en el mercado y sus diferencias entre distintas regiones geográficas, hacen el proceso de dosificación aún más complejo. 2.4.2 RESUMEN TEÓRICO DEL HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE Desde el punto de vista teórico, el hormigón autocompactante se puede definir como aquel hormigón que es capaz de fluir en el interior del encofrado, llenándolo de forma natural, pasando entre las barras de armadura y consolidándose únicamente bajo la acción de su propio peso, sin presentar segregación de los áridos gruesos. Estas prestaciones son consecuencias de la fluidez, viscosidad y cohesión apropiadas en las mezclas de estos hormigones y que dan lugar a las tres propiedades básicas del HAC: capacidad de relleno, capacidad de paso y resistencia a segregación. La capacidad de relleno o fluidez no limitada, se refiere a la capacidad del HAC de fluir y rellenar completamente todos los espacios del encofrado, por su propio peso sin vibración. La capacidad de paso es la posibilidad del HAC de fluir a través del armado sin segregación o bloqueos. La resistencia a segregación o estabilidad, es la capacidad del HAC para mantener homogénea su composición, durante el transporte y la puesta en obra. En el año 2000, Okamura et al. (2000) definen como “hormigón autocompactante de altas prestaciones” aquél hormigón que además de lo anterior también satisface los dos requisitos citados a continuación. Primero, los efectos derivados de la generación de calor, endurecimiento o retracción por secado deben ser mínimos y, segundo, la permeabilidad del hormigón frente a la penetración del oxígeno, cloruros y agua debe ser mínima. Dicha definición se da en el contexto de la primera década de investigaciones en HAC (1989–1999), cuando los primeros HAC diseñados dieron como resultado hormigones de altas prestaciones debido a los cambios necesarios en la dosificación para obtener la autocompactabilidad (12). Dado los buenos resultados experimentados en la práctica ingenieril (ya sea en prefabricados o en aplicaciones in situ) surge la necesidad de un desarrollo de HAC también en 13 bajas prestaciones (a partir de 30 MPa). Actualmente, la definición del HAC se da únicamente en función de su estado fresco, ya que se considera que el HAC añade a las propiedades del hormigón convencional, en cualquiera de las clases resistentes, la propiedad de autocompactabilidad (EHE–08). 2.5 COMPORTAMIENTO DEL HORMIGÓN EN FRACTURA 2.5.1 INTRODUCCIÓN A continuación, se van a exponer una serie de conceptos teóricos necesarios para poder comprender este proyecto. Dichas conceptos se redactarán de forma breve y concisa debido a que el estudio de la fractura no es el principal objetivo del trabajo. 2.5.2 ARGUMENTOS QUE JUSTIFICAN EL USO DE LA MECÁNICA DE LA FRACTURA PARA EL CÁCULO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN (7) Energía necesaria para el crecimiento de la grieta: El crecimiento de una grieta requiere el consumo de cierta cantidad de energía, por lo que es necesario un criterio de fallo por energía. No obstante la grieta puede ser creada por que el material supere su límite de resistencia. Es irrelevante como se inicia la grieta, lo importante es saber cómo se propaga la grieta bajo unas cargas determinadas. Esto sólo puede ser estudiado basándose en un criterio de energía. - Objetividad en el cálculo de la carga y respuesta: La MFEL es aplicable para analizar el comportamiento de estructuras de hormigón con grietas. Se puede modelar de dos formas: una mediante el llamado “smearing” sobre elementos enteros y otra mediante concentraciones de tensión entre elementos discretos contiguos. El camino para obtener los resultados, los cuales son independientes del tamaño del elemento con el que se modele, requiere que la energía disipada durante el proceso de fractura sea constante. Esta energía constante de disipación es la llamada energía de fractura y forma el fundamento de la teoría de la Mecánica de la Fractura. - Falta de zona de cadencia: En el comportamiento de materiales dúctiles como pueden ser los aceros, se puede observar una zona de cadencia al final del tramo elástico. Microscópicamente se observa que el material no requiere aumento de tensión para que continúe deformándose. Este fenómeno no se produce o se produce en muy pequeño espacio en los materiales catalogados como frágiles. Estado del Arte 14 - Capacidad de absorción de energía y ductilidad: El área que hay bajo la curva cargadeformación representa la energía absorbida por la estructura durante el proceso de fallo, despreciándose las pérdidas en soportes y puntos de aplicación de cargas. La mayor parte de la energía es absorbida tras el pico que presenta la respuesta, en la zona de ablandamiento por deformación. Esto determina la ductilidad de la estructura. - Efecto tamaño: El argumento más importante a favor del uso de la Mecánica de la Fractura en el hormigón es el llamado Efecto Tamaño, efecto por el cual un material presenta diferente respuesta según sea el tamaño de la probeta ensayada. Este efecto influye principalmente en dos aspectos. El primero en la capacidad última del hormigón, que disminuye a medida que el tamaño del espécimen crece, y en segundo lugar afecta a la capacidad cortante del material, disminuyendo también al aumentar el tamaño del espécimen. (8), (13). 2.5.3 MECÁNICA DE LA FRACTURA ELÁSTICO LINEAL Para poder posteriormente hablar sobre la Mecánica de Fractura aplicada al hormigón estructural, se introducen muy brevemente en este apartado las teorías y modelos en los que se fundamenta la MFEL, como son las teorías de Griffith e Irwin con sus consideraciones energéticas. - Teoría de Griffith para materiales frágiles. Ilustración 2.5: Placa delgada (L>>t) con hueco elíptico bajo una tensión uniforme s. Cuando b 0 el hueco se convierte en una grieta (Problema de Griffith) 15 Mediante la aplicación de un balance de energía para un espesor unidad y suponiendo que la grieta crecía una cantidad “da” por cada lado, Griffith llegó a la expresión (2): 𝜎 𝜋𝑎 = 2𝐸′𝛶=𝑐𝑡𝑒 Donde: Υ: Densidad de energía superficial. Energía necesaria para separar en una unidad las caras de la grieta. E‟: toma el valor de E o de E/ (1-ν2) para tensión plana y deformación plana respectivamente. - Teoría de Irwin para materiales frágiles. Existen para esta teoría tres estados de cargas elementales. Ilustración 2.6: Tres modos posibles de deformación en la punta de la grieta Para cada uno de los modos, Irwin calculó el campo de tensiones y definió el Factor de Intensidad de Tensiones, que para el modo I es: 𝐾𝐼= 𝜎 𝜋𝑎 A partir de este parámetro se define el criterio de Irwin: una grieta en un material frágil, se propagará cuando el factor de intensidad de tensiones KI supere el valor crítico KIC. Este valor crítico es una constante del material y es llamado Resistencia a la Fractura. Por tanto el criterio de fractura se expresa como: 𝐾𝐼𝐶 = 𝜎 𝜋𝑎 Estado del Arte 16 Con esto se llega al resultado fundamental de la Mecánica de Fractura Elástico Lineal, que establece que el criterio local de tensión de Irwin es igual que el criterio global de energía de Griffith. Donde Gc es la densidad de energía superficial de Griffith. 2.5.4 ENERGÍA DE FRACTURA (GF) La energía específica de fractura, es la energía necesaria para crear una grieta de un área unidad yt su expresión es la siguiente: 𝐺𝐹=𝑊𝐹 𝐴𝑙𝑖𝑔 Donde: WF: Área bajo la curva carga-desplazamiento. Trabajo realizado por la carga exterior que se emplea en aumentar el tamaño de la grieta. Alig: Área de ligamento. Para un material elástico y frágil la energía de fractura GF debe ser igual al valor GC (densidad de energía superficial de Griffith). Resultados de diversos ensayos [ M. Espinar, H. Cifuentes. Hormigones de baja resistencia reforzados con fibras de polipropileno: Análisis experimental de la geometría de la fibra sobre las propiedades de la fractura. Grupo de Estructuras. Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla, 2008.] muestran que ambos valores no son iguales incluso tratándose del mismo hormigón. La variación que se ha observado en los resultados experimentales es debida a la violación de dos de las suposiciones que se hicieron para definir la energía específica de fractura GF. Estas dos son: - El trabajo realizado por la carga externa se emplea sólo en la extensión estable de la grieta. - La energía requerida por esta es independiente de la geometría de la probeta y de la forma de aplicación de la carga. 17 2.5.5 ZONA DE PROCESO DE FRACTURA Como se ha anunciado anteriormente, se ha demostrado que el comportamiento del hormigón se desvía significativamente de las predicciones de la MFEL (7), excepto para el caso de estructuras de grandes dimensiones. La primera razón que aleja el comportamiento del hormigón de esta teoría, es la formación de una extensa zona de proceso de fractura por delante de la preexistente grieta. Esta zona suele ser pequeña tanto en materiales dúctiles como en frágiles, y es sólo en los cuasi-frágiles donde tiene unas dimensiones importantes. Ilustración 2.7: Distinción de las características de fractura en (a) un material elástico lineal, (b) un metal dúctil, (c) un material cuasi-frágil. L es la región elástica lineal, N la zona no-lineal y F la zona de proceso de fractura Es importante también conocer la extensión de la zona donde tiene lugar el proceso de fractura en el hormigón. Dicha extensión se denomina lch . Mediante la teoría de Irwin se puede hacer una aproximación de ésta para materiales con base de cemento. 𝑙𝑐𝑕 ≈ 𝐸′𝐺𝐹 𝑓′𝑡 2 Mediante el estudio de la mecánica de la fractura se llega a los siguientes conceptos importantes (2): - Hormigones con mayor lch, presentan mayor longitud de la zona de progreso de fractura (ZPF). - Hormigones con valores similares de lch, presentan comportamientos similares a fractura. Estado del Arte 18 - La lch tiene relación con la curva de comportamiento carga-desplazamiento. En nuestro caso este aspecto es importante, ya que los H.A.R. presentan curvas más altas y afiladas, es decir, tienen un valor de lch menor, y por tanto, una ZPF menor y un comportamiento más frágil. - Cuanto más basta sea la microestructura del material mayor será el tamaño de ZPF, y mayor por tanto, la lch. Así para un cristal esta zona tiene un tamaño muy reducido, mientras que para un hormigón con agregados de gran tamaño es muy superior. 2.5.6 EFECTO TAMAÑO EN EL HORMIGÓN Son muchos los estudios que han demostrado el llamado “efecto tamaño” en las estructuras de hormigón (14), (13). Dicho efecto demuestra porque una probeta de la misma geometría y proporciones que otra, soporta una menor carga máxima a medida que su tamaño aumenta. Además la tensión última y la deformación última también disminuyen con el aumento de tamaño, lo que implica un comportamiento menos dúctil para probetas grandes. Este fenómeno fue descubierto por Bazant, quien determino la ley que regía dicho comportamiento y que podemos apreciar en la siguiente figura, junto con las predicciones de la MFEL (materiales frágiles) y el Criterio de Resistencia (materiales dúctiles). Ilustración 2.8: Ley de Efecto Tamaño de Bazant (curva continua). En línea discontinua aparece lo que predice el Criterio de Resistencia (Strength failure criterion) y la MFEL (LEFM) 19 En la gráfica se expone en escala logarítmica la tensión nominal última frente a la longitud característica. 2.5.7 DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA ENERGÍA DE FRACTURA (GF) La energía de fractura GF se obtiene midiendo el trabajo necesario para abrir completamente una fisura de área unidad. A continuación, se expone el tratamiento dado a las curvas carga-desplazamiento con el fin de obtener la energía de fractura GF. 1. Se corrige la zona inicial de la curva. 2. Corrección por ajuste de la cola de la curva. 3. Obtención de GF. La finalidad del primer paso es eliminar la no linealidad inicial de la curva debida al acomodo o incrustación en los apoyos. Esta corrección consiste en tomar el tramo lineal ya estabilizado como recta inicial del registro P-δ. Posteriormente hay que corregir el cero en δ, para que la curva comience en el punto (0,0). Esto se consigue restando a todo el registro el valor δma , valor correspondiente a la carga nula en la curva modificada. 𝛿=𝛿𝑚− 𝛿0 𝑚 Donde δm es el valor original de la flecha en el registro. Ilustración 2.9: Esquema de la corrección de la zona inicial no lineal de la curva P- δ En segundo lugar hay que tener en cuenta que normalmente en el ensayo de flexión resulta imposible medir la totalidad del trabajo necesario para romper el ligamento de hormigón, puesto que la fisura no Estado del Arte 20 llega a abrirse completamente. El ensayo se detiene en una flecha final a la que se asigna la carga nula en la curva P- δ experimental, llamada δu. Sin embargo, si fuera posible continuar midiendo se obtendría un registro de la flecha que tiende hacia una asíntota horizontal que marca la rotura completa del ligamento y la verdadera resistencia exterior nula. A esta energía no registrada se le llama energía no medida, que se encuentra representada en la siguiente figura. Ilustración 2.10: Energía de la cola que no se puede medir en un ensayo de flexión en tres puntos Para obtener el valor del trabajo no medido (∆Wnm) en la práctica, hay que realizar lo siguiente: - Ajustar la cola de la curva carga-desplazamiento. 𝑃=𝐴(1 𝛿2−1 𝛿𝑢 2) El valor de A, es aquel que minimice el error absoluto entre la cola de la curva real y la aproximada por la función anterior. - La energía no medida en el ensayo tiene la siguiente expresión: ∆𝑊 𝑛𝑚 =2𝐴 𝛿𝑢 Para finalizar, el trabajo medido (Wm) puede definirse como el área encerrada por la curva cargadesplazamiento, tras la realización de los ajustes comentados anteriormente. La expresión de la energía de fractura quedaría de la siguiente forma: 𝐺𝐹= 𝑊 𝑚+∆𝑊 𝑛𝑚 𝐴𝑙𝑖𝑔 21 2.6 COMPORTAMIENTO DEL HORMIGÓN A ALTAS TEMPERATURAS 2.6.1 INTRODUCCIÓN El hormigón presenta un gran comportamiento frente al fuego y por consiguiente presenta unos niveles excepcionales de protección y seguridad en caso de incendio. Los principales motivos son (15): - El hormigón no arde (incombustible) y no aumenta la carga de fuego. - Tiene una elevada resistencia al fuego y detiene la propagación del mismo. - Protege eficazmente, proporcionando unos recorridos de emergencia seguros a los ocupantes y una protección a los bomberos. - El hormigón no produce humo ni gases tóxicos, lo que contribuye a disminuir el riesgo de los ocupantes. - Disminuye la magnitud del incendio, y con ello también el riesgo de contaminación ambiental. - Proporciona una protección intrínseca contra el fuego, normalmente no se precisan medidas complementarias. - La solidez del hormigón frente al fuego facilita la extinción de los incendios y reduce el riesgo de colapso estructural. - El hormigón es fácil de reparar después de un incendio, y con ello ayuda a que se reanuden antes las actividades. - No se ve afectado por el agua utilizada para sofocar un incendio. Dicho esto, se puede observar que ningún otro material es un ejemplo tan complejo de seguridad en su comportamiento en caso de incendio. Sin embargo, cuando el hormigón es sometido a ambientes con carga térmica severa el aumento de la presión interna del agua sometida a temperaturas por encima de la de ebullición, genera tensiones locales elevadas que, en ocasiones pueden producir una rotura explosiva (16), (17), (18), (19). Este fenómeno es conocido como “spalling”. Si el spalling afecta a las capas externas, éste provoca un desprendimiento del recubrimiento que se conoce por el nombre de “desconchado”. El desconchado forma parte de la respuesta normal del hormigón frente al fuego y las altas temperaturas que éste acarrea. Por ello, en edificios normales e incendios normales (p.ej. escuelas, hospitales, viviendas, oficinas), los códigos de diseño como el Eurocódigo 2 permiten ya que se produzcan desconchados en estas aplicaciones. Es importante saber que, en ocasiones, estructuras visiblemente poco afectadas por la acción directa Estado del Arte 28 agregados y aumentando también la resistencia al agrietamiento. Sin embargo, para temperaturas mayores, la resistencia se reduce debido a los efectos de descomposición, deshidratación y formación de microcavidades. Observando la ilustración 2.18, GF es menor para el hormigón en caliente que para el frío, cambiando este comportamiento para Tm>350ºC. Ilustración 2.18: Energía de fractura para diferentes temperaturas de calentamiento Si se observa ahora la ilustración 2.19, curva que representa la evolución de GF frente a wu, se ve como para el hormigón en caliente la curva primero crece y luego decrece. Esto se debe a que en los comienzos, el agua no puede evaporarse con facilidad. Cuando comienza la deshidratación, el hormigón se hace más duro, debido al comportamiento de lubricante que toma el agua. Para el caso del hormigón en frío, la curva presenta una zona estable, seguida de un crecimiento y un decrecimiento. Al igual que en el caso anterior, la zona creciente se debe a la evaporación capilar del agua. La zona decreciente, se debe a la evaporación del agua gel y del agua combinada. Este hecho produce descomposición y degradación en el hormigón (T>300ºC aprox.). 29 Ilustración 2.19: Energía de fractura frente a pérdida de peso última La causa por la que se menciona este estudio en el proyecto, se debe a que servirá de guía cualitativa para las conclusiones obtenidas de nuestro propio estudio. 2.6.4 MEJORA DE LA RESPUESTA AL FUEGO CON LA ADICIÓN DE FIBRAS DE POLIPROPILENO Es conocido que la adición de fibras de polipropileno al hormigón produce una mejora en el comportamiento de éste frente al fuego. El comportamiento de las fibras depende del rango de temperaturas en el que nos encontremos (24). Hasta los 160ºC aproximadamente, las fibras son capaces de evitar el desmoronamiento de la masa de hormigón dañada (25), sin embargo, cuando se supera esta temperatura, el polipropileno arde dejando huecos de escape que hacen que la presión interna del agua no llegue a alcanzar el valor necesario para producir spalling. Con referencia al desprendimiento del recubrimiento, destacan los ensayos llevados a cabo en Cardington por Lennon (2002) en los que se ensayaron desde pilares individuales hasta un edificio, a escala 1:1, de 7 plantas con pilares de 85MPa de resistencia a compresión en probeta cubica, añadiendo fibras de polipropileno para reducir la presión de los poros como hemos visto. Se observo, en efecto, el efecto positivo de las fibras cuya fusión a elevadas temperaturas, creando una cierta porosidad, permitía disminuir la presión en los poros. Según Phan (2002), este efecto con fibras de polipropileno se incrementa al aumentar la cuantía de las fibras hasta 3,0 kg/m3. Adicciones de 1,5 kg/m3 resultaron suficientes en los ensayos para prevenir el desprendimiento explosivo del Estado del Arte 30 recubrimiento. Desde el punto de vista industrial, una dosificación de la fibra de 2kg/m3, para una longitud de fibra de 10 a 20mm y un diámetro de 50 a 200 μm son generalmente adoptados para evitar el spalling del H.A.R. Sin embargo, un estudio de P. Kalifa, G. Chene y C. Galle (25) , trató de demostrar que existía un óptimo de la dosificación de la fibra de 1,75 kg/m3, valor para el cual la fibra alcanza el límite de percolación, término que se refiere al movimiento y filtración de fluidos (fibra fundida) a través de materiales porosos no saturados. Concluyeron afirmando que un aumento de la cantidad de fibra por encima de este límite de percolación no aportaba mejoras. Aun así determinaron que el valor de 2kg/m3 usado en la industria era adecuado. Además en el estudio anterior trato de analizarse a fondo el comportamiento de la fibra y su mecanismo para evitar el spalling. Respecto a la longitud más adecuada de la fibra existe una mayor controversia. Algunos como Savaranta et al. (26) y Savaranta y Mikkola (27), (28) no advirtieron diferencias entre el uso de distintas longitudes de fibras. Sin embargo, Bentz (29) mostró en un estudio numérico, que las fibras más largas eran más eficientes. 31 3 FABRICIÓN DE LAS PROBETAS 3.1 INTRODUCCIÓN El objetivo del proyecto es medir las propiedades residuales del H.A.R. El término “residual” hace referencia a que la medida de dicha energía se hará una vez que las probetas hayan sido enfriadas y se encuentren de nuevo a temperatura ambiente. En el presente bloque se explica el proceso de fabricación del H.A.R. partiendo de una dosificación dada obtenida por mi compañera de laboratorio Ana Alba Cruz. A dicha dosificación se le añadirán posteriormente dos tipos de fibras, unas de longitud igual a 6 mm y otras de longitud igual a 24 mm. Por esta razón, en el presente proyecto se estudian tres tipos de hormigones: hormigón sin fibras (D0), hormigón reforzado con fibras de 6 mm (D1), y hormigón reforzado con fibras de 24 mm (D2). 3.2 MATERIALES A continuación se exponen los materiales que conforman el hormigón de alta resistencia: - Cemento: Se utiliza cemento tipo Portland CEM II/B-L 32,5 N, cedido por la empresa Cementos Portland Valderrivas. El cemento tipo II se usa cuando hay ataque moderado de sulfatos, como en estructuras de drenaje. Genera menos calor de hidratación y más despacio que el tipo I, se puede usar para grandes pilas, muros gruesos de contención, etc., es adecuado para climas cálidos, pues no genera mucho calor de hidratación. Ilustración 3.1: Cemento Portland CEM II/B-L 32.5 N Fabrición de las Probetas 32 - Agua: Se utiliza el agua del sistema de riego. No existen restricciones en el tipo del agua, con la salvedad del agua marítima, que no resulta adecuada en el caso de hormigones de alta resistencia. - Áridos: Se han utilizado tres tipos de áridos para conformar la mezcla: Grava, arena silícea y arena caliza. A continuación se exponen las tablas y gráficas granulométricas. Para la grava no se expone granulometría, ya que se ha tomado un tamaño uniforme comprendido entre los tamices UNE de 2 y 10 mm. Para el tamizado de la grava se utilizó una tamizadora de tres salidas, expuesta en la siguiente ilustración. Ilustración 3.2: Tamizadora de Grava (tamices de 2 y 10 mm) 33 Tabla 1: Granulometría Arena Silícea ARENA SILÍCEA TAMIZ (mm) % PASA % RETENIDO 2 99.83 0.17 1 96.17 3.67 0.5 61.33 34.83 0.25 15 46.33 0.125 2 13 0.063 0.17 1.83 FONDO 0 0.33 Ilustración 3.3: % PASA – Arena Silícea Fabrición de las Probetas 34 Tabla 2: Granulometría Arena Caliza ARENA CALIZA TAMIZ (mm) % PASA % RETENIDO 2 88.5 11.5 1 62 26.5 0.5 41 21 0.25 23.67 17.33 0.125 11.67 12 0.063 2.5 9.17 FONDO 0 2.33 Ilustración 3.4: % PASA – Arena Caliza 35 Ilustración 3.5: a) Grava. b) Arena Caliza. c) Arena Silícea - Superplastificante: Se ha utilizado el superplastificante de la marca Sika Viscocrete 20 HE. Ilustración 3.6: Etiqueta y Características del Superplastificante Sike Viscocrete 20 HE Fabrición de las Probetas 36 - Microsílice o humo de sílice: se utiliza el humo de sílice del tipo Es una adición mineral que aporta funciones beneficiosas al hormigón (Disminuye porosidad, aumenta la resistencia, mejora la trabajabilidad, etc.). Tabla 3: Propiedades del Humo de Sílice PROPIEDADES DESCRIPCIÓN Aspecto Físico Polvo Color Grisáceo Densidad Rea, 20 ºC 2.1 – 2.4 g/cm3 Contenido SiO2 Aprox. 90% Superficie Específica 15000 – 20000 m2/g Granulometría 90%< 0.0001 mm Cloruros < 0.1% Solubilidad en Agua Nula Ilustración 3.7: Humo de Sílice 37 - Fibras de Polipropileno: Se utilizan fibras de dos longitudes (6 y 24 mm), ambos productos de GEOTEXAN. Sus principales propiedades se exponen en la tabla que se adjunta a continuación. Tabla 4: Propiedades Fibras de Polipropileno Denominación Espesor(dtex) Longitud(mm) Tenacidad(cN/tex) Elongación (%) G2A 8.9 6 50 75 G2C 8.9 24 50 75 Como se puede observar en la tabla, las propiedades de ambas fibras son iguales, exceptuando la longitud. Esto nos permitirá estudiar la influencia de la longitud de la fibra en el hormigón. Ilustración 3.8: Comparación tamaño de fibras (6 y 12 mm) Fabrición de las Probetas 44 Luego se introducen el humo de sílice y el cemento y posteriormente la mezcla de agua, superplastificante y fibras (2ª fase). Se deja girar la mezcla aproximadamente 10 minutos. Ilustración 3.19: Mezclado de los Materiales. 1º Fase (Izq). 2ª Fase (Der) - Rellenar las probetas. Mediante palas y palustres se rellenan los moldes y se colocan sobre una superficie nivelada. Es importante esto último, ya que si los moldes no se encuentran horizontales, en la cara superior de la probeta se origina un desnivel. Como el hormigón es autocompactante, no es necesaria la compactación. Ilustración 3.20: Relleno de Moldes 45 - Transcurridas 24 h se procede a desmontar las probetas. Ilustración 3.21: Desencofrado - Curado del Hormigón. Para terminar, se introducen las probetas dentro del tanque de curado durante 28 días. Ilustración 3.22: Curado del Hormigón Una vez transcurridos los 28 días, las probetas ya estarán preparadas para realizar los ensayos pertinentes. Fabrición de las Probetas 46 3.6 CORTE DE LAS PROBETAS Y REALIZACIÓN DE LA ENTALLA Para conseguir el tamaño de probetas 218x48x48 mm es necesario como ya se ha mencionado, cortar las probetas originales de tamaño 440x100x100 mm. Para ello se utiliza una máquina rotaflex con un disco de 4 mm de espesor. Ilustración 3.23 Corte de Probeta Original en Ocho Probetas 218x48x48 mm Ilustración 3.24: Máquina de corte. Modelo Bali Mekano. Empresa Simasa 47 Ilustración 3.25 Probeta Prismática Entallada de dimensiones 218x48x48 mm Las probetas cúbicas de 48x48x48 mm se obtendrán de las prismáticas ya cortadas, obteniéndose 4 probetas de cada una. Ilustración 3.26: Corte Probeta 218x48x48mm en Cuatro Probetas de 48x48x48 mm Una vez obtenidas las probetas, hay que realizarles las entallas. Para ello, lo primero, es el posicionamiento de la cuchilla. La distancia desde la plataforma de la maquina donde descansa la probeta al punto más bajo del filo de la cuchilla tiene que ser igual al ancho de la probeta menos la profundidad de la entalla. A continuación se pone en marcha la máquina y se refrigera con agua, hasta realizar la entalla de 4 mm de espesor. Por último se comprueba la medida con un calibre Fabrición de las Probetas 48 49 4 ENSAYOS 4.1 INTRODUCCIÓN Cuando las probetas alcanzan un mínimo de 28 días de edad, ya se puede pasar al calentamiento en el horno. Mi proyecto consiste en estudiar el comportamiento en frío del hormigón (propiedades residuales), es decir, medir las propiedades del hormigón después de haber sido sometido el hormigón a 48 horas de calentamiento en el horno a diferentes temperaturas (100, 300 y 500 ºC) y haberlo dejado posteriormente enfriar. Una vez enfriadas, ya se pueden ensayar en la máquina servo hidráulica. Los ensayos realizados son: ensayo a flexión en tres puntos, ensayo a compresión simple de probetas cúbicas y ensayo a compresión simple de probetas cilíndricas con anillos transductores. El ensayo brasileño no fue realizado por mi persona, por esta razón no se enuncia en mi proyecto. A continuación, en este bloque, se describe toda la metodología seguida para la preparación, control y realización de los ensayos. 4.2 ENSAYO DE FLEXIÓN EN TRES PUNTOS Una vez se han extraído las probetas del horno, después de haber sido calentadas durante 48 horas, se dejan enfriar. Cuando las probetas estén frías, ya se puede pasar a la realización del ensayo de flexión en tres puntos. Ilustración 4.1: Máquina servo hidráulica modelo ME 406/15 marca Servosis Ensayos 50 En primer lugar se describe la máquina con la que se va a realizar el ensayo. Nuestra máquina es una máquina servo hidráulica modelo ME 406/15 de la marca Servosis con capacidad de carga de 20 kN (Ver ilustración 4.1). Su eje inferior es fijo, mientras que el superior es móvil y es el que aplica la carga en el centro de la probeta. El eje superior tiene que aproximarse hasta que contacte con la probeta antes de comenzar el ensayo, para así poder obtener una gráfica carga-desplazamiento más adecuada y de manera más rápida. El eje inferior consta de una placa fija con dos apoyos de rodillos donde se apoya la probeta. Ilustración 4.2: Ensayo de flexión en tres puntos. La máquina va conectada a un ordenador desde el que se controlan los parámetros que se quieren medir y la manera de realizar el ensayo (ensayo con control en carga o ensayo con control en desplazamiento). En nuestro caso se realiza el control del ensayo en desplazamiento en el cilindro (Pc) y se meten en el ordenador los siguientes parámetros: velocidad y destino. Además de esto, se escoge el tipo de función que va a representar la gráfica carga–desplazamiento, siendo ésta una recta lineal. Para que la propagación de la grieta sea lo más estable posible, la velocidad del ensayo tiene que ser lo suficientemente baja. En nuestro caso se han creado 4 fases para controlar el ensayo. Cada una de ellas varía en el valor de la velocidad, que va desde 0.01 mm/s hasta 0.08 mm/s. La creación de estas fases se realiza para ahorrar tiempo en el ensayo, ya que se aumenta la velocidad en los tramos menos problemáticos de la curva carga-desplazamiento. 51 Ilustración 4.3: Generador de funciones (PCD 2k) Ilustración 4.4: Controles, Media de Canal 1 y 2, Trazador y Generador de Funciones (PCD 2k) En lo que respecta a las condiciones de contorno del ensayo, la probeta se encuentra apoyada sobre dos rodillos que permiten el deslizamiento. Al permitirse dicho deslizamiento, la zona traccionada se encuentra en un estado de flexión puro, que es el buscado para este ensayo. En caso contrario, si los rodillos no permitiesen el deslizamiento entre ellos, se producirían tensiones de compresión en la cara inferior de la probeta, por lo que las tracciones en esos puntos no se corresponderían a las de flexión pura. Ensayos 52 La distancia entre apoyos (rodillos deslizantes), es de aproximadamente 200 mm, es decir, aproximadamente 4 veces el canto de la probeta (48 mm), tal y como recomienda la RILEM. Falta por describir el tercer apoyo, de ahí el nombre del ensayo, flexión en tres puntos. El apoyo superior es el móvil. Tiene forma de cilindro pero la base que toca la probeta es una semiesfera. En los nos apoyos inferiores, no es suficiente con permitir los desplazamientos, también es fundamental evitar las tensiones de torsión. Para ello, los rodillos poseen un sistema de muelles que permiten el giro en dirección transversal, por lo que evita que se generen tensiones de torsión que modificarían los resultados. Ilustración 4.5: Condiciones de Contorno Ensayo Felxión en tres puntos Como se ha mencionado antes, la máquina de ensayos dispone de un programa informático instalado en el ordenador de control. Este programa trata y almacena la señal que recibe de los diferentes canales de medida. El programa utilizado se denomina PCD 2k. Las principales ventanas que posee este programa son las de generación de funciones, trazador, configuración de trazador, control y alarmas. En la configuración del trazador es posible configurar el número de puntos que se van a tomar en cada ensayo y cada cuanto tiempo se va a realizar el muestro. Para poder trabajar de manera más comoda con las tablas de los resultados obtenidos, se toma un número de puntos no muy elevado, de aproximadamente 5 puntos por segundo. 53 Ilustración 4.6: Panel de control Servosis para máquina de F3P y de compresión uniaxial Existen dos canales de entrada que miden las siguientes señales con los siguientes elementos de medición: - Canal 1: Fuerza (kN) – Célula de carga. - Canal 2: Posición del pistón (mm) – Actuador de la maquina. Ilustración 4.7: Canales, salidas/entradas, auxialeres y parada de emergencia Con la ventana de control es posible aproximar el apoyo superior antes de comenzar el ensayo y decidir bajo que señal se realiza la aproximación. La ventana de alarmas, se puede configurar para que Resultados 60 5 RESULTADOS 5.1 INTRODUCCIÓN A continuación, se expondrán los resultados obtenidos de los ensayos. Los resultados vienen recogidos en forma de tablas y gráficas. En este bloque no se analizan los resultados, esta competencia recae sobre el siguiente apartado (bloque VI). Los resultados solo se expondrán de manera breve concisa y clara. Los resultados recogidos conforman las propiedades residuales de fractura del hormigón y cada una se obtiene mediante un ensayo concreto. La energía de fractura se obtiene mediante el ensayo de flexión en tres puntos mientras que el módulo elástico estabilizado y la resistencia a compresión se obtienen mediante el ensayo a compresión uniaxial, utilizando en el caso de la obtención del módulo elástico estabilizado, dos transductores circulares anclados a la probeta. En lo concerniente a la resistencia a tracción, ésta se obtiene a partir del ensayo brasileño, siendo por tanto la resistencia a tracción inderecta. Mediante dicha propiedad se obtiene también la longitud característica, parámetro muy interesante en el estudio del hormigón. Como ya se ha mencionado en el bloque III, en el proyecto se estudian tres tipos de dosificaciones (D0, D1 y D2): con fibras, fibras de 6 mm y fibras de 24 mm. Para cada una de las dosificaciones se obtienen las propiedades residuales de fractura para las temperaturas de 100ºC, 300ºC y 500ºC. Con el fin de poder realizar los estudios comparativos necesarios se añade los resultados a temperatura ambiente. 61 5.2 ENSAYO A FLEXIÓN EN TRES PUNTOS 5.2.1 CURVAS CARGA – DESPLAZAMIENTO Ilustración 5.1: Hormigón sin fibras (D0) Ilustración 5.2: Hormigón con fibras de 6 mm (D1) Resultados 62 Ilustración 5.3: Hormigón con fibras de 24 mm (D2) 5.2.2 CURVAS P –δ DESPLAZAMIENTO D0, D1 Y D2 PARA TODO RANGO DE TEMPERATURA Ilustración 5.4: Curvas P-δ para hormigones sin fibras (D0) 63 Ilustración 5.5: Curvas P-δ para hormigones con fibras de 6 mm (D1) Ilustración 5.6: Curvas P-δ para hormigones con fibras de 24 mm (D2) Resultados 64 5.2.3 INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE FIBRAS EN EL HORMIGÓN Ilustración 5.7: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=100ºC (Medida Residual) Ilustración 5.8: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=300ºC (Medida Residual) 65 Ilustración 5.9: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=500ºC (Medida Residual) 5.2.4 EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA DE FRACTURA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Tabla 6: Energía de Fractura Wf AduWnm WfT Alig GF (N/mm) GF (N/m) GF Media (N/m) Desviación (%) T (ºC) D0T100_1 166,942 7,295 0,80 18,238 185,180 1324,4 0,13982088 139,821 D0T100_2 198,894 13,779 0,88 31,352 230,246 1242,1 0,18536481 185,365 D0T300_1 215,825 16,584 1,06 31,231 247,056 1225,7 0,2015692 201,569 D0T300_2 253,836 38,243 1,12 68,109 321,945 1320,4 0,2438157 243,816 D0T500_1 200,250 53,770 1,06 101,838 302,087 1278,9 0,2362111 236,211 D0T500_2 117,146 32,583 1,22 53,371 170,516 1278,9 0,13333163 133,332 D1T100_1 176,656 13,446 1,70 15,791 192,448 1244,8 0,15460179 154,602 D1T100_2 191,047 17,681 1,73 20,405 211,452 1229,7 0,17195767 171,958 D1T300_1 246,939 47,536 1,60 59,457 306,396 1183,3 0,25894247 258,942 D1T300_2 180,863 18,484 1,07 34,615 215,478 1225,7 0,17579573 175,796 D1T500_1 158,913 45,996 1,49 61,781 220,693 1220,9 0,18075547 180,755 D1T500_2 141,624 26,403 1,37 38,460 180,084 1220,9 0,14749535 147,495 D2T100_1 194,100 18,601 1,61 23,093 217,193 1287,7 0,16867178 168,672 D2T100_2 144,495 9,484 1,51 12,528 157,022 1228,3 0,12784077 127,841 D2T300_1 272,565 46,718 0,92 102,004 374,569 1289,1 0,2905709 290,571 D2T300_2 138,167 12,134 0,71 33,989 172,156 1161,0 0,1482827 148,283 D2T500_1 147,061 27,107 1,00 54,160 201,220 1241,2 0,16211908 162,119 D2T500_2 162,574 38,758 1,38 56,212 218,786 1241,2 0,17627175 176,272 D0Tamb_1 122,904 17,699 0,48 74,364 197,269 1248,0 0,15806795 158,068 D0Tamb_2 139,747 8,569 0,34 51,005 190,753 1196,0 0,15949239 159,492 D1Tamb_1 92,998 3,870 0,37 21,147 114,145 1248,0 0,09146263 91,463 D1Tamb_2 86,360 1,697 0,22 15,432 101,792 1248,0 0,08156395 81,564 D2Tamb_1 113,005 23,195 0,21 223,031 336,036 1326,0 0,25342053 253,421 D2Tamb_2 85,201 2,221 0,19 23,500 108,702 1248,0 0,08710058 87,101 *Trabajo de fractura (Wi) en Nmm - du en mm - Alig en mm2 8% 27% 14% 19% 46% 300 500 148,2562732 219,4268023 169,1954165 6% 500 100 162,592841 222,6924501 184,7713694 163,2797268 217,3690988 164,1254107 100 300 500 100 300 20% 13% 39% 158,7801716 86,51328663 170,2605556 TA TA TA 1% 8% 69% Resultados 66 5.10: Energía de fractura (Gf Valores Medios) en función de la Temperatura para D0, D1 Y D2 5.2.5 EVOLUCIÓN DE LA CARGA DE PICO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Tabla 7: Carga de Pico frente a Tª Carga de Pico (N) Media Carga Pico (N) Desviación (%) D0TA_1 1034,54545 D0TA_2 1246,25 D0T100_1 1366,66667 D0T100_2 1190 D0T300_1 885 D0T300_2 884,28571 D0T500_1 518,57143 D0T500_2 267,14286 D1TA_1 875,27778 D1TA_2 1095,27778 D1T100_1 1096,66667 D1T100_2 1362,5 D1T300_1 687,14286 D1T300_2 772,85714 D1T500_1 340 D1T500_2 346,66667 D2TA_1 1112 D2TA_2 919,5 D2T100_1 1170 D2T100_2 1075 D2T300_1 878,57143 D2T300_2 710 D2T500_1 437,5 D2T500_2 400 343,333335 1015,75 1122,5 1140,397725 1278,333335 884,642855 392,857145 985,27778 794,285715 418,75 13,1% 9,8% 0,1% 45,3% 15,8% 15,3% 8,3% 1,4% 13,4% 6,0% 15,0% 6,3% 1229,583335 730 67 Ilustración 5.11: Carga de Pico en función de la temperatura (D0, D1 y D2) 5.3 ENSAYO A COMPRESIÓN UNIAXIAL Ilustración 5.12: Resistencia a compresión frente a Tª para D0, D1 y D2 Resultados 68 Tabla 8: Resistencia a Compresión (fc) 5.4 ENSAYO A COMPRESIÓN UNIAXIAL CON TRANSDUCTORES CILÍNDRICOS 5.4.1 MÓDULO ELÁSTICO ESTABILIZADO Tabla 9: Módulo elástico estabilizado (Tª Ambiente) Tension de Rotura - Fc (Mpa) Media Tension Rotura - Fc (Mpa) Desviación D0T100_1 73,9464 D0T100_2 50,9412 D0T300_1 77,72 D0T300_2 68,061 D0T500_1 38,401 D0T500_2 74,4625 D1T100_1 45,5844 D1T100_2 56,9816 D1T300_1 61,38 D1T300_2 55,158 D1T500_1 40,7718 D1T500_2 55,991 D2T100_1 63,2108 D2T100_2 49,4275 D2T300_1 66,4336 D2T300_2 64,537 D2T500_1 41,1955 D2T500_2 55,514 D0Tamb_1 64,78 D0Tamb_2 55,96 D1Tamb_1 63,52 D1Tamb_2 59,49 D2Tamb_1 60,2 D2Tamb_2 60,16 60,37 10,33% 61,505 4,63% 60,18 0,05% 62,4438 26,05% 72,8905 9,37% 56,43175 45,19% 51,283 15,71% 58,269 7,55% 48,3814 22,24% 56,31915 17,31% 65,4853 2,05% 48,35475 20,94% Tension (MPa) Deformacion Tension (MPa) Deformacion Tension (MPa) Deformacion Pto a 32,1493 7,67E-04 27,03087 8,97E-04 32,06017 7,97E-04 Pto p 5,10569 2,15E-04 5,04203 3,55E-04 5,0293 2,30E-04 Modulo E (MPa) Tension (MPa) Deformacion Tension (MPa) Deformacion Tension (MPa) Deformacion Pto a 32,23842 7,19E-04 27,10727 9,35E-04 32,06017 8,78E-04 Pto p 5,04203 1,37E-04 5,06749 3,95E-04 5,0293 2,53E-04 Modulo E (MPa) Media Mod.E (GPa) Desviación (%) 45,4441561 3,343% 0,556% 6,938% D2_3 43214,82014 46729,19244 D1_2 40871,17293 D2_2 47673,49206 DO_2 DO_1 48992,0471 D1_1 40551,11111 47,86061977 40,71114202 69 5.4.2 MÓDULO ELÁSTICO. MODELO DE JENQ-SHAH Tabla 13: Módulo Elástico (T=500ºC) 𝐸𝑖=𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎 𝑃 − 𝛿 ; 𝐸𝑐 = 6𝐸𝑖𝑆𝑎0𝑉1(∝) 𝐵𝐷2 ; ∝=𝑎0 𝐷 ; 𝐸𝑐 𝑈𝑛𝑖𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 = 𝛽 𝐸𝑐 𝑉1 ∝ = 0,8 −1,7 ∝+2,4 ∝2+0,66 (1−∝)2+4𝐷 𝑆(−0,04 −0,58 ∝+1,47 ∝2−2,04 ∝3) T= Tambiente D a0B S αV1(α) Ei Ec (Mpa) Ec Medio (Mpa) Desviacion Ec Uniax (Mpa) F. Correlación (β) D0_1 49 23 48 200 0,47 2,68 6801,08 4364,451 D0_2 51 25 46 200 0,49 2,87 9580,61 6887,705 D1_1 50 24 48 200 0,48 2,77 11083,33 7374,767 D1_2 49 23 48 200 0,47 2,68 10249,07 6577,133 D2_1 50 24 51 200 0,48 2,77 10494,19 6572,005 D2_2 49 23 48 200 0,47 2,68 9783,95 6278,651 32% 8% 3% 5626,077571 6975,949834 6425,328191 46729,19244 40871,17293 43214,82014 6,7844 5,8589 6,7257 Tabla 11: Módulo Elástico (TªAmbiente) y Factor de Correlación. T= 100ºC D a0B S αV1(α) Ei Ec (Mpa) Ec Medio (Mpa) Desviacion Ec Uniaxial (Mpa) % Decrecimiento D0_1 46,6 20,4 50,6 200 0,44 2,429 13000,88 7038,766 D0_2 47,4 21,3 47,5 200 0,45 2,51 9843,574 5903,898 D1_1 48,9 22,5 47,1 200 0,46 2,595 7509,014 4665,629 D1_2 48,1 21,9 49,1 200 0,46 2,565 10916 6481,601 D2_1 48,4 22,1 49,1 200 0,46 2,583 9273,727 5541,259 D2_2 48,2 22,0 47 200 0,46 2,58 7862,647 4918,531 6471,331759 12% 43904,338 6% 5573,615014 23% 32655,07759 25% 5229,894816 8% 35174,6957 23% Tabla 12: Módulo Elástico (T=300ºC) T= 300ºC D a0B S αV1(α) Ei Ec (Mpa) Ec Medio (Mpa) Desviacion Ec UniaX (Mpa) % Decrecimiento D0_1 48,9 22,55 46,6 200 0,46 2,61 6992,412 4441,117652 D0_2 44,8 18,8 50,7 200 0,42 2,309 4537,037 2320,822889 D1_1 48,7 22,63 45,4 200 0,46 2,642 4847,577 3231,582533 D1_2 49,4 23,81 47,9 200 0,48 2,798 4464,424 3059,080343 D2_1 47,8 21,44 48,9 200 0,45 2,51 4696,336 2712,589135 D2_2 47,1 21,25 45 200 0,45 2,538 5274,895 3426,837897 3380,970271 44% 15745,47502 197% 3145,331438 4% 18428,08337 122% 3069,713516 16% 20645,96758 109% Tabla 10: Módulo Elástico (T=100ºC) T= 500ºC D a0B S αV1(α) Ei Ec (Mpa) Ec Medio (Mpa) Desviacion Ec Uniax (Mpa) % Decrecimiento D0_1 48 22 47 200 0,46 2,589 2794,758 1763,841247 D0_2 48 22 47 200 0,46 2,589 1932,718 1219,786537 D1_1 48 22 47 200 0,46 2,589 3881,045 2449,423481 D1_2 48 22 47 200 0,46 2,589 2916,667 1840,780628 D2_1 48 22 47 200 0,46 2,589 5926,625 3740,439998 D2_2 48 22 47 200 0,46 2,589 2500,153 1577,908552 2659,174275 58% 17884,80442 142% 1491,813892 26% 10121,1163 362% 2145,102054 20% 12567,87091 225% Análisis de Resultados 76 aumento de la longitud de fibra. Posteriormente se estudia la energía de fractura y más detalladamente la evolución de la carga de pico. Tras estos estudios, se podrá obtener una conclusión sobre la influencia de la longitud de la fibra. Sin embargo, tras la observación introductoria de las curvas carga-desplazamiento, si se aprecian ya las mejorías notables frente al comportamiento a fractura que la adición de fibras otorga al hormigón. 6.2.3 INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE FIBRAS EN EL HORMIGÓN En el apartado de resultados (5.2.3), se han expresado los resultados medios de las dos muestras. Devido a las grandes desviaciones que tienen algunas muestras, en este apartado de análisis, se expondrán las mismas gráficas pero corregidas expresando únicamente los resultados con desviaciones menores qu el 15% o las muestras que se comportan acorde con los estudios previos realizados sobre las propiedades residuales del hormigón en fractura (1), (8), (30). Ilustración 6.1: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=100ºC (Medida Residual Corregida) Se comienza analizando las dosificaciones objeto de estudio expuestas a T=100ºC. Observando la ilustración 6.1, tanto la carga de pico como la pendiente del tramo prepico (fijarse también en la ilustración 5.7 que expresa los valores medios) son similares para las tres dosificaciones. Sin embargo, los desplazamientos últimos alcanzados para el caso de las dosificaciones con fibras, son mucho mayores que para el caso de la dosificación sin fibras. Esto se debe a que las fibras mantienen la unión 77 de las caras de la grieta, haciendo con esto posible que existan desplazamientos mucho mayores. Al aumentar tan significativamente los desplazamientos últimos, aumenta la energía de fractura (8). En lo que respecta a la influencia de la longitud de la fibra, tanto en la ilustración 5.7 como en la ilustración 6.1, los resultados son contradictorios con otros estudios, en los que el desplazamiento último aumenta al aumentar la longitud de la fibra (8), (6). Ilustración 6.2: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=300ºC (Medida Residual Corregida) Para T= 300ºC, las fibras ya se encuentran fundidas por lo que se puede observar que los desplazamientos últimos para este caso son más parecidos para las tres dosificaciones, es decir, la influencia de las fibras ya no es tan notable (ver ilustración 6.2). En lo que respecta a la carga última, un exceso en adición de fibras, puede acarrear una disminución de ésta, ya que cuando estas funden, quedan huecos sin capacidad ninguna de resistir esfuerzos. Este efecto se ve reflejado en la ilsutación 6.2, siendo la carga de pico máxima, la del hormigón sin fibras. Análisis de Resultados 78 Ilustración 6.3: Influencia fibras sobre Gf - probetas a T=500ºC (Medida Residual Corregida) A 500ºC de temperatura, la dosificación sin fibras D0, ha sufrido elevado daño por el efecto spalling. Este hecho se ve reflejado en la carga de pico, siendo la de D0, la menor de las tres. Como las fibras ya se encuentran derretidas, los desplazamientos últimos son muy similares. También podemos apreciar mayor área encerrada bajo las curvas D1 y D2, y por tanto mayor energía de fractura. A su vez se observa que a mayor longitud de fibra, mayor energía de fractura (ver ilustración 6.3). 79 6.2.4 EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA DE FRACTURA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Los resultados expresados en el apartado 5.2.4 presentan unas desviaciones inaceptables, por esta razón en este apartado se van a representar los valores que presenten una desviación menor que el 15% y los valores que sean acorde a los estudios de fractura existentes para este campo (8), (31). Ilustración 6.4: Energía de fractura (Gf) en función de la Temperatura para D0, D1 Y D2 Tabla 24: Energía de fractura (Gf) en función de la Temperatura para D0, D1 Y D2 Se comienza describiendo la dosificación sin fibras D0. En el primer rango de temperaturas (TA  100ºC), se observa una pequeña caída en el valor de GF (ver ilustración 6.4 y tabla 25). Esta caída también fue apreciada por Bicanic. La explicación es que a esas temperaturas el hormigón no está muy dañado, por lo que el vapor de agua en el interior aumenta su presión, al no poder salir fácilmente. Por tanto, aunque se alcanza el equilibrio térmico, la humedad de la superficie se evapora con facilidad, pero la del interior queda retenida. La elevada humedad generalmente reduce la resistencia del hormigón contra el fallo, esto hace que, una vez enfriado, el hormigón presente un comportamiento más frágil, como se apreciaba en las curvas carga-desplazamiento, disminuyendo D0 D1 D2 T(ºC) Gf(N/m) Gf(N/m) Gf(N/m) 24 158,78017 86,51329 170,26056 100 139,82088 163,27973 168,67178 300 222,69245 258,94247 290,5709 500 133,33163 164,12541 169,19542 Análisis de Resultados 80 levemente GF en este intervalo. La causa de que la disminución sea pequeña, es debido a que la temperatura de ebullición del agua es de 100°C, por lo que a esas temperaturas no se evapora una gran cantidad de agua en la superficie, ni aumenta mucho la presión del vapor de agua. Entre los 100 y 300ºC se produce una recuperación de la energía de fractura. Esto probablemente se debe, a que a medida que aumenta la temperatura, el daño producido en el hormigón es mayor, dejando escapar la humedad más fácilmente. A estas temperaturas, el agua que se evapora es el agua capilar. El resultado una vez que se enfría, es un hormigón más dúctil, que proporciona una mayor energía de fractura residual, hecho que ya se apreciaba en las curvas carga-desplazamiento que se hacían menos esbeltas y más extendidas a medida que la temperatura del ensayo aumentaba. El spalling producido a estas temperaturas ya es considerable, permitiendo realizar un daño adecuado para que salga la humedad, pero aun no suficiente para que GF disminuya. A partir de los 300ªC, la energía de fractura empieza a disminuir. Esta disminución se debe a que a estas temperaturas el agua capilar ya se ha evaporado y empieza a evaporarse primero el agua gel y más tarde el agua combinada, que causan la descomposición y degradación del hormigón, así como el aumento de las microgrietas, provocando que tras el enfriamiento del hormigón la GF disminuya. Este efecto se suma al del daño causado por el spalling. Para la dosificación D1, a temperatura ambiente se da una energía de fractura menor que para D0 (ver ilustración 6.4). Este hecho no es muy relevante, ya que cuando se empieza a incrementar la temperatura, D1 rápidamente sobrepasa a D0, por lo que prodía haber error en la toma del dato de GF para temperatura ambiente y la falta de muestras no nos ha permitido corregirlo. Como ya se ha demostrado en numerosos estudios (30), (31), la energía de fractura para las dosificaciones con fibras es mayor que para las dosificaciones con fibras, tal y como se puede observar en la ilustración 6.4. Obviando la curva D1, cuyo resultado a temperatura ambiente no es fiable debido a la alta desviación, para la curva D0 y D2 se aprecia que la curva crece-decrece-crece con el aumento de la temperatura. Esto se debe a que para T< 300ºC, se favorece la hidratación, aumentando la fortaleza de la unión con los agregados y aumentando también la resistencia al agrietamiento. Sin embargo, para temperaturas mayores, la resistencia se reduce debido a los efectos de descomposición, deshidratación y formación de microcavidades. Este hecho fue recogido en los ensayos de Bicanic para el hormigón en frío. En lo que respecta a la influencia de la longitud de la fibra, se observa que a mayor longitud de fibra, mayor energía de rotura, tal y como se recoge también en los estudios realizados por Héctor Cifuentes. 6.2.5 EVOLUCIÓN DE LA CARGA DE PICO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA Se observa que las curvas primero crecen hasta los 100ºC y luego decrecen (ver ilustración 5.11). Esta evolución creciente decreciente coincide con las expuestas por Bicanic. La adición de fibras en este caso, produce una leve disminución de la carga de pico. Un elevado porcentaje de adición de fibras, puede repercutir negativamente sobre el valor de la carga de pico, ya que las fibras al derretirse crean cavidades sin resistencia alguna, como ya se mencionó anteriormente, y esto produce que el valor de la carga de pico disminuya. En el rango de temperaturas cercano a 100ºC, la D1 presenta una carga de pico superior a D2, sin 81 embargo, para temperaturas meyores de 200ºC, esto cambia, pasando ahora a ser superior la carga de pico de D2. Esto puede deberse a que a esas temperaturas, las fibras se encuentran ya derretidas y las cavidades que crean las fibras de 24 mm son más grandes y por tanto evacuaran mejor los gases internos, haciendo que D2 tenga un mejor comportamiento frente al spalling que D1, y por tanto, una carga de pico superior. 6.3 ENSAYO A COMPRESIÓN UNIAXIAL Si se observa la ilustración 5.12, la dosificación sin fibras D0 presenta una resistencia a la compresión superior a la obtenida para las dosificaciones con fibras D1 y D2. Este hecho se puede deber al exceso de adición de fibras antes ya mencionado, que acarrea un comportamiento negativo respecto a este parámetro. Si nos fijamos primeramente en la dosificación D0, se observa que a la temperatura de 100ºC no se observa el descenso de la resistencia a compresión observado por Bicanic, si observándose sin embargo en las otras dos dosificaciones. La bajada de fc a 100ºC, se debe al exceso de tensiones producidas por los gases generados por la ebullición interna del agua, que al estar las probetas todavía poco dañadas, no pueden salir y aliviarlas. Sin embargo, para las tres dosificaciones si se produce el aumento de fc en el rango de temperaturas de 100 a 300ºC. Este aumento es debido a la hidratión que se produce en la pasta de cemento, que aumenta la resistencia de la matriz del hormigón (32), y a un mecanismo descrito por Nielsan y Bicanic, por el cual se produce un aumento de resistencia extra debido al engranamiento de las partículas. Para Tª> 300ºC, la microfisuración es ya muy elevada, y unida a los precesos de deshidratación y descomposición de la masa de cemento, hacen que fc disminuya. 6.4 ENSAYO A COMPRESIÓN UNIAXIAL CON TRANSDUCTORES CILÍNDRICOS El objetivo de este apartado es la obtención del módulo elástico para todo rango de temperatura, a partir de los dos módulos elásticos obtenidos a temperatura ambiente, uno mediante el ensayo de compresión uniaxial con transductores cilíndricos y el otro mediante la pendiente de la curva P-δ y aplicando el modelo de Jenq-Shah. Una vez que se han obtenido los dos módulos elásticos a temperatura ambiente, cada uno por su método, se saca un factor β de correlación y mediante los módulos obtenidos a 100, 300 y 500ºC por el modelo de Jenq-Shah, se obtienen por correlación los módulos de elasticidad del ensayo de compresión uniaxial para todo el rango de temperatura. Si se observa la ilustración 5.13, a medida que la temperatura aumenta, el Ec disminuye, tal y como indican los estudios de Bicanic. Además de esto, el módulo empienza siendo mayor para la dosificación con fibras D0, hasta que se superan los 200ºC, que desciende por debajo de las dosificaciones con fibras D1 y D2. También se observa que para todo rango de temperaturas, el EC es mayor para la dosificación D2 (24 mm) que para la D1 (6mm). La disminución de Ec es sinónimo de la disminución de la rigidez, y esta se debe a la microfisuración de la pasta de cemento causada por el calentamiento y enfriamiento de la probeta. Al aumentar la temperatura, también aumenta la microfisuración, por lo que la rigidez del hormigón disminuye. El efecto beneficioso de la fibras se empieza a observar a partir de los 200ºC aproximadamente, quedando patente la mejora que el aumento de la longitud de a fibra ejerce sobre la microfisuración, ya que unas fibras más largás, ejercen más unión entre las partes fisuradas (32). Análisis de Resultados 82 6.5 ENSAYO DE RESISTENCIA A TRACCIÓN INDIRECTA Mediante el ensayo brasileño, se obtiene la resistencia a tracción y con ella, la longitud característica del hormigón, parámetro muy interesante desde el punto de vista del análisis, ya que engloba el Ec, la fct y la Gf. La longitud característica nos da una idea de lo dúctil o frágil que es el material, ya que hormigones con mayor fct y Ec (comportamiento más frágil), presentan valores de lch menores. Observando la ilustración 5.14, los hormigones con fibras tienen mayores valores de longitud característica, y por tanto, presentan un comportamiento más dúctil. También se observa la influencia de la longitud de la fibra, a mayor longitud de fibra, el hormigón presenta un comportamiento más dúctil. Si se comparan estos resultados con los obtenidos para la energía de fractura, parece lógica la bajada de la curva para la temperatura de 100ºC. A 100ºC las probetas no están lo suficientemente dañadas y los gases ocluidos no pueden salir con facilidad provocando un incremento de tensiones interno y por tanto un comportamiento más frágil. 83 7 CONCLUSIONES En el proyecto presente se ha realizado el análisis de las propiedades en frío (propiedades residuales) de un hormigón autocompactante de alta resistencia reforzado con fibras de polipropileno a temperaturas de 100, 300 y 500ºC. Además se ha estudiado la influencia de la adición de fibras de diferentes longitudes (6 y 24 mm) a la mezcla. De este estudio se han extraido las siguientes conclusiones importantes: 1. A pesar de cuidar aspectos como la fabricación de las probetas o la realización de los ensayos, la alta heterogeneidad del hormigón hace muy difícil obtener resultados idénticos para hormigones iguales y con el mismo historial. La aleatoriedad de los resultados debe ser contrapuesta con un alto número de muestras que permitan realizar una media adecuada. 2. El aumento de la temperatura en el hormigón provoca una caída en la pendiente del tramo prepico de la curva P-δ. Esta pendiente está íntimamente relacionada con el módulo de deformación longitudinal, es decir, cuando se aumenta la temperatura, Ec también disminuye. Un mismo hormigón a mayor temperatura presenta menor rigidez. 3. A medida que la temperatura aumenta, las curvas se van haciendo menos esbeltas, los valores de la pendiente inicial y la carga de pico van disminuyendo, mientras que los desplazamientos van aumentando. A mayor temperatura las curvas P-δ se hacen más bajas y prolongadas. 4. La adición de fibras a la mezcla hace que el descenso de la pendiente de la curva P-δ al aumentar la temperatura sea menos brusco. Las fibras ayudan a mejorar el comportamiento del hormigón frente al fenómeno de spalling al derretirse y crear conductos de evacuación para los gases obstruidos que generan dicho fenómeno. 5. En lo que respecta a los desplazamientos últimos, hasta temperaturas cercanas a la temperatura de fusión del polipropileno, dotan al hormigón de una mayor capacidad de desplazamiento, al mantener las caras de las fisuras conectadas. A partir de la temperatura de fusión de la fibra, los desplazamientos de D0, D1 y D2 se van igualando. El aumento de la longitud de la fibra no se ha visto reflejado en el aumento de los desplazamientos últimos, hecho que contrasta con los resultados expuestos por Hector Cifuentes y Bicanic. 6. Un exceso en la adición de fibras a la muestra puede acarrear una disminución de los valores de la carga de pico. Las fibras al derretirse no dejan de ser huecos o poros carecientes de resistencia alguna, por lo que es lógico que un porcentaje de adición inadecuado traiga consecuencias negativas reflejadas en los valores de la carga de pico. Este hecho se ve reflejado a la temperatura de 300ºC. A 100ºC las fibras todavía no se han derretido por lo que no se ve reflejado, y a 500ºC, el mayor efecto del spalling sobre la dosificación sin fibras es mayor que el efecto producido por el exceso de adición de fibras a la mezcla, por lo que la carga de pico de D0 es menor que la de D1 y D2. 7. La adición de fibras a la mezcla genera un aumento de la energía de fractura en el hormigón. Esto se debe al efecto cosido que las fibras ejercen sobre las fisuras y a la generación de los conductos de escape de gases que las fibran crean al derretirse, disminuyendo el efecto de spalling. 8. A mayor longitud de la fibra, mayor energía de fractura. Este efecto se observa de manera más clara a partir de los 100ºC de temperatura. Las fibras de mayor longitud crean conductos de escape de gases mayores, por lo que reducen en mayor medida el spalling y por tanto, aumentan la energía de fractura. 9. A 100ºC de temperatura, existe una pequeña caída de la energía de fractura. A esta temperatura, el hormigón no se encuentra todavía muy dañado y las fibras no están todavía derretidas, por lo que la evaporación del agua a 100ºC genera vapor de agua que aumenta la presión en los poros y produce el Conclusiones 84 efecto spalling, que produce una pequeña disminución de la energía de fractura. 10. Entre los 100 y 300ºC se produce una recuperación de la energía de fractura. Este hecho se debe a que a medida que aumenta la temperatura, el daño producido en el hormigón es mayor, dejando escapar la humedad más fácilmente. A estas temperaturas, el agua que se evapora es el agua capilar. El resultado una vez que se enfría, es un hormigón más dúctil, que proporciona una mayor energía de fractura residual, hecho que ya se apreciaba en las curvas carga-desplazamiento que se hacían menos esbeltas y más extendidas a medida que la temperatura del ensayo aumentaba. El spalling producido a estas temperaturas ya es considerable, permitiendo realizar un daño adecuado para que salga la humedad, pero aun no suficiente para que GF disminuya. A partir de los 300ºC, la energía de fractura empieza a disminuir, debido a la deshidratación de la pasta de cemento y a la elevada descomposición y degradación del hormigón, unido al fuerte daño que el efecto spalling causa a estas temperaturas. 11. Las curvas fc – T para las dosificaciones con fibras presentan un comportamiento decrecientecreciente-decreciente. La bajada de fc a 100ºC, se debe al exceso de tensiones producidas por los gases generados por la ebullición interna del agua, que al estar las probetas todavía poco dañadas, no pueden salir y aliviarlas. Sin embargo, para las tres dosificaciones si se produce el aumento de fc en el rango de temperaturas de 100 a 300ºC. Este aumento es debido a la hidratión que se produce en la pasta de cemento, que aumenta la resistencia de la matriz del hormigón, y a un mecanismo descrito por Nielsan y Bicanic, por el cual se produce un aumento de resistencia extra debido al engranamiento de las partículas. Para T> 300ºC el daño por spalling unido a la deshidratación y degradación de la pasta de cemento, provocan el declive de la resistencia a compresión. 12. A mayor temperatura, el módulo de deformación longitudinal (Ec) disminuye. Al aumentar la temperatura, también aumenta la microfisuración debida a ella, por lo que la rigidez del material disminuye. El aumento de la longitud de la fibra, produce un efecto beneficioso, ya dicho aumenta, provoca una mejor unión de las microfisuras. 13. La longitud característica está íntimamente relaciona con el comportamiento frágil o dúctil del hormigón, es decir, cuanto mayor sea el valor de la longitud característica, más dúctil es el hormigón. Por esta razón, las dosificaciones con fibras (D1 y D2), presentan una longitud característica mayor que la dosificación sin fibras (D0). 14. A mayor longitud de fibra, el hormigón presenta un comportamiento más dúctil, es decir, tiene una longitud característica mayor. 15. La curva lch – T muestra una bajada del valor de la longitud característica para T=100ºC. Este hecho se debe a la oclusión del vapor de agua producido a esa temperatura, que aumenta las tensiones internas y genra un comportamiento más frágil del hormigón. 85 REFERENCIAS 1. 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