Comportamiento en fractura de un hormigón de muy alta resistencia con refuerzo multiescala

COMPORTAMIENTO EN FRACTURA DE UN HORMIGÓN DE MUY ALTA RESISTENCIA CON REFUERZO MULTIESCALA José D. Ríos*1, Carlos Leiva2, Héctor Cifuentes3 1Departamento de Ingeniería Energética, Mecánica y de los Materiales Escuela de Ingenierías Industriales. Universidad de Extremadura Avda. de Elvas s/n, 06006. Badajoz-España 2Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad de Sevilla Camino de los Descubrimientos s/n, 41092. Sevilla-España 3Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad de Sevilla Camino de los Descubrimientos s/n, 41092. Sevilla-España *Persona de contacto: [email protected] RESUMEN El uso del hormigón para fabricar torres de aerogeneradores es una de las aplicaciones estudiadas recientemente. Estas estructuras tubulares están expuestas a cargas cíclicas alternas. Este trabajo estudia el efecto de la adición de diferentes tipos de microfibras de carbono sobre el comportamiento en fractura de un hormigón de muy alta resistencia. Se han realizado ensayos experimentales sobre probetas prismáticas entalladas utilizando tres tipos de microfibras de carbono y diferentes contenidos (0-20 kg/m3). Todas las fibras tienen el mismo diámetro (7 μm) y diferentes longitudes (0,1, 3 y 6 mm). La resistencia a tracción de las microfibras de carbono es de 4.200 MPa, lo que reduce significativamente la probabilidad del mecanismo de fallo por rotura de la fibra. Los resultados mostraron que el uso de fibras de 6 mm con 20 kg/m3permitieron alcanzar una mayor resistencia a tracción y energía de fractura, con incrementos del 100% y 105% respectivamente, en comparación con el hormigón de control. Las fibras más largas y con mayor contenido actuaron como barreras a la propagación de las grietas de manera más efectiva, pero la distribución de estas en la matriz fue menos uniforme y aumentó la dispersión de los resultados. PALABRAS CLAVE: fractura, fibras de carbono, hormigón reforzado con fibras. ABSTRACT The use of concrete to manufacture wind turbine towers is one of the applications recently studied. These tubular structures are exposed to fatigue cyclic loads. This work studies the effect of the addition of different types of carbon microfibers on the fracture behavior of a very high strength concrete. Experimental tests have been carried out on notched prismatic specimens using three types of carbon microfibers and different contents (0-20 kg/m3). All fibers have the same diameter (7 μm) and different lengths (0.1, 3 and 6 mm). The tensile strength of carbon microfibers is 4.200 MPa, which significantly reduces the probability of fiber rupture failure mechanism. The results showed that the use of 6 mm fibers with 20 kg/m3allowed achieving higher tensile strength and fracture energy, with increases of 100% and 105%, respectively, compared to the control concrete. Longer fibers with higher fiber content acted as barriers to crack propagation more effectively, but the distribution of fibers in the matrix was less uniform and increased the dispersion of the results. KEYWORDS: fracture, carbon fibers, fiber-reinforced concrete. 1. INTRODUCCIÓN El hormigón reforzado con fibras de ultra altas prestaciones se caracteriza fundamentalmente por poseer una relación agua/componentes activos normalmente inferior a 0,2 así como por constituirse a partir de materiales y áridos caracterizados por tener un tamaño de grano muy fino. Esto hace que se favorezca el proceso de hidratación y se consiga un hormigón de muy baja porosidad [1-3]. De esta forma se consigue una matriz R evista de Mecánica de la Fractura Vol.6 (2023 ) 1 2 3 mucho más densa, con menos imperfecciones que podrían ser el origen de futuros defectos que se propagarán durante la vida útil del material. No obstante, una mayor densidad de la matriz mejora la durabilidad, pero también aumenta la fragilidad. Para mejorar la ductilidad, la capacidad de absorción de energía y la resistencia a tracción de estos hormigones, es muy común la adición de fibras que actúan como barreras que dificultan la propagación de las fisuras y actuando como elemento cohesivo entre las superficies fisuradas. Las fibras de acero son posiblemente las más utilizadas y que han sido objeto de estudio debido a su elevado límite elástico. Sin embargo, entre sus principales desventajas se encuentran la corrosión interna, el agrietamiento de la matriz debido a la expansión térmica [1], con la consiguiente reducción de la adherencia acero-hormigón, y su elevado coste. De ahí que existan numerosos estudios centrados en mejorar las prestaciones mecánicas y de fractura del hormigón reforzado con fibras de acero reduciendo el contenido en fibras [2]. En los últimos años, el uso de fibras de carbono (FC) se ha convertido en una importante alternativa a las fibras de acero debido a sus excelentes propiedades mecánicas (módulo de Young de 200-350 GPa, resistencia a la tracción entre 3000-9000 MPa) [20-23], así como a su estabilidad a temperaturas elevadas y a la corrosión [3]. Además, la baja densidad de estas fibras (1,6-2,5 g/cm3) hace que los contenidos de fibra de carbono normalmente utilizados como refuerzo del hormigón (entre 0,05-0,3% en volumen) [3] sean muy inferiores a los utilizados en los refuerzos de fibra de acero (0,5 y 2% en volumen) [4] lo que deriva en estructuras de hormigón mucho más ligeras y menos costosas. Para obtener un alto rendimiento en propiedades mecánicas y de fractura es imprescindible una buena dispersión de las fibras de carbono en la matriz, por lo que es muy importante el papel del proceso de fabricación y determinar una correcta distribución de las fibras de carbono en la matriz. Además, varios estudios muestran como la adición de fibras altera la morfología y distribución de los poros [5]. Como consecuencia, todo ello influye directamente en el comportamiento mecánico y de fractura del hormigón. En este trabajo se ha realizado un amplio estudio experimental multiescala para determinar la influencia del tipo de fibras de carbono utilizadas para reforzar el hormigón de ultra altas prestaciones (HMAR). Se ensayó HMAR reforzado con diferentes fibras de carbono en forma, longitud y resistencia a tracción para determinar sus propiedades mecánicas y de fractura, así como, relacionar los resultados con las fibras utilizadas y con la estructura porosa de la matriz. La influencia de la morfología de los poros y la distribución de las fibras de carbono en las propiedades mecánicas y de fractura se midió mediante imágenes de tomografía computarizada de rayos X. Por último, se estableció una conexión entre los resultados de la tomografía computarizada y las propiedades mecánicas y de fractura. 2. MATERIALES Y DOSIFICACIONES 2.2. Composición de las amasadas Como materiales con actividad puzolánica se utilizaron el cemento Portland tipo I de 52,5 R/SR, el humo de sílice (SF) con un tamaño medio de partícula esencialmente de 0,1 µm y la escoria de alto horno (GGBS). También se añadieron dos áridos silíceos, el primero con un tamaño de partícula entre 800 y 80 µm, y el segundo con un tamaño de partícula entre 315 y 40 µm. En la figura 1 se muestra la distribución granulométrica de los materiales con mayor rango de tamaños (cemento y GGBS). Se utilizó un superplastificante (SP) de alta eficacia a base de éter policarboxílico modelo SIKA Viscocrete 20HE para mejorar la trabajabilidad de las mezclas en estado fresco. Figura 1: Distribución del tamaño de partícula del cemento y GGBS. En este estudio se fabrican 31 amasadas diferentes de HMAR, todas ellas compuestas por la misma matriz, cinco tipos de fibras de carbono y seis contenidos diferentes de fibras añadidas en la matriz. Los materiales y las proporciones de mezcla empleadas se muestran en la Tabla 1. Se realizó una amasada sin refuerzo de fibras utilizada como hormigón de referencia y designada como RC. Tabla 1. Dosificación de la matriz de HMAR (kg/m3). HMAR Cemento 52,5 R/SR 540 GGBS 310 Humo de sílice 210 Árido silíceo fino 470 Árido silíceo g rueso 470 Superplastificante 42 A g ua/cemento 0 , 38 A g ua/binder 0 , 19 Se han utilizado cinco tipos de fibras de carbono. Las principales diferencias en las propiedades de las fibras son la longitud (entre 0,05 y 6 mm) y la resistencia a la tracción (entre 3000 y 9000 MPa). Los rangos del módulo R evista de Mecánica de la Fractura Vol.6 (2023 ) 1 2 4 de Young son muy similares, entre 220 y 230 GPa, y los diámetros son los mismos para todas las fibras (7 µm); véanse los datos de la Tabla 2. La designación de cada tipo de fibra utilizada es FC-X seguida de una letra, de la A, a la E, correspondiente al tipo de fibra que figura en la Tabla 2. Tabla 2. Propiedades y nomenclatura de las fibras de carbono. Nomenclatura FC-A FC-B FC-C FC-D FC-E Longitud (mm) 0,05-3 3 6 6 3 Diámetro (mm) 7 7 7 7 7 Resis. Tracción 4200 4200 4200 9000 3000 Módulo de Youn g 230 230 230 220 220 Relación de as p ecto L/f 7-43 429 857 857 429 La nomenclatura utilizada para denominar las mezclas analizadas es HMAR seguida del tipo de fibra (A, B, C, D o E según la Tabla 2) y del contenido de fibra (por ejemplo, HMAR-A-6). Se utilizaron seis contenidos de fibra para cada mezcla fabricada: 1,2; 3; 6; 9; 15 y 20 kg/m3. En resumen, se analizaron 30 mezclas reforzadas con fibra de carbono y se utilizó una mezcla no reforzada como hormigón de referencia (HR). Figura 2: Distribución de longitud de fibras para FC-A. Las fibras más cortas (FC-A) se han obtenido cortando fibras más largas, por lo que no presentan longitudes de fibra constantes (Figura 1). Como puede observarse, FCA presenta un rango de longitudes de fibra entre 12 y 310 µm, con una longitud media de fibra de 60 µm. 3. CAMPAÑA EXPERIMENTAL 3.1. Ensayos mecánicos y de energía de fractura Se fabricaron probetas cúbicas de 40 mm de lado y probetas prismáticas de 40×40×160 mm3para determinar las propiedades mecánicas y de fractura de todas las amasadas fabricadas. La resistencia a la compresión se determinó a partir de tres probetas cúbicas para cada amasada según la norma EN 12390-3. Se realizaron ensayos de flexión en tres puntos en tres probetas prismáticas entalladas para medir el trabajo de fractura de acuerdo con la norma RILEM TCM-85 y, posteriormente, la energía de fractura. Todas las probetas tenían una relación de entalla 1/6. La flecha se midió mediante un LVDT de 10 mm y la apertura del vértice de la entalla, mediante un transductor de pinza. 3.2. Tomografía de rayos X Se utilizó la técnica de tomografía computarizada de rayos X para determinar la porosidad mayor a 40 µm. Se llevaron a cabo mediante el equipo de inspección por rayos X, modelo Xradi 610 Versa de la empresa Zeiss, del Servicio de Caracterización por Rayos X de la Universidad de Sevilla, España. Consta de un tubo multifoco y un blanco de wolframio que permite la inspección en el rango comprendido entre 25-160 kV y 0,01 -1 mA de intensidad. El equipo genera imágenes 2D y 3D con un aumento máximo de 2000×. El postprocesado de reconstrucción y tratamiento de las imágenes se realizó utilizando un software comercial. Las muestras de TAC de rayos X analizadas fueron una de las dos piezas fabricadas tras realizar los ensayos de flexión en tres puntos. La zona analizada es un cubo de aproximadamente 40 mm de lado elegido desde el extremo del soporte para evitar la influencia de la zona de fractura en los resultados de la TC de rayos X. 3.3. Porosimetría de mercurio Se utilizó un porosímetro de intrusión de mercurio (Micromeritics Autopore IV) para medir presiones que oscilaban entre 1,02×10-2 y 2,04×102 MPa. Como el ángulo de contacto era de 141°, el tamaño de los poros oscilaba entre 0,005 y 200 µm. Las muestras utilizadas tenían un tamaño de unos 5 mm de tamaño, y tuvieron que secarse en un horno a 105°C durante 48 horas. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Tomografía de rayos X En la Figura 3 se muestra la evolución de la porosidad acumulada y la distribución diferencial del tamaño de poro frente al diámetro de poro equivalente. Este análisis se ha realizado en cuatro muestras. La primera muestra es un hormigón sin reforzar, la segunda es una mezcla reforzada con fibras FC-A, la tercera con fibras FC-B y la última está reforzada con fibras FC-C, todas ellas con el mismo contenido de fibra, 6 kg/m3. R evista de Mecánica de la Fractura Vol.6 (2023 ) 1 2 5 El hormigón sin refuerzo presenta la mayor porosidad total acumulada, alcanzando el 3,98% V/V, con el mayor tamaño de poro de 2,73 mm. El 75% de sus poros tienen un diámetro equivalente inferior a 1,08 mm. Se puede decir que la presencia de tamaños de poro superiores a 1,08 mm es escasa y no es representativa en la distribución diferencial del tamaño de poro de la matriz. El tamaño de poro predominante (punto máximo de la curva de distribución diferencial del tamaño de poro) se sitúa en 0,51 mm. Cabe destacar que, para los tamaños de poro comprendidos entre 0,51 y 1,4 mm, la curva de distribución diferencial del tamaño de poro del hormigón sin refuerzo siempre está por encima de las mezclas reforzadas con fibra de carbono. Esto muestra una mayor presencia de poros en el rango de tamaños que tienen una influencia directa en su comportamiento de fractura. Figura 3: Porosidad acumulada y distribución diferencial del tamaño de poro. 4.2. Porosimetría de mercurio En la Figura 4 se muestran los resultados de porosimetría de intrusión de mercurio del hormigón sin refuerzo y de los tres HMAR reforzados con las fibras de carbono FCA, FC-B y FC-C. A partir de los resultados de la Figura 4, se observa que el hormigón sin refuerzo presenta tres zonas de mayor concentración de poros. Se observan diferentes tipos de poros. El hormigón de referencia presenta un alto volumen de macroporos (entre 5 y 260 µm) debido al aire atrapado. Se observa un bajo volumen de poros capilares (entre 0,01 y 5 µm), que son una de las principales causas de la resistencia macroscópica [6]. El HR muestra un mayor volumen de poros de gel (entre 0,005 y 0,01 µm) que de poros capilares. Los poros de gel se producen porque el espacio lleno de agua existente entre los granos de cemento original es mayor [7]. Por un lado, cuando se añaden las diferentes fibras de carbono, se observa una disminución del volumen de los macroporos, y cuando la longitud de la fibra es mayor, esta disminución aumenta. Por otro lado, el volumen de poros capilares y microporos se incrementa cuando se añaden las diferentes fibras de carbono, y este incremento es mayor para mayores longitudes. Esto significa que la presencia de fibras dentro de la matriz reduce su porosidad, actuando como pequeñas palas que ayudan a la mezcla del hormigón dentro de la hormigonera. Este efecto ya fue observado por otros trabajos anteriores [5], que obtuvieron una reducción de la porosidad de la matriz para hormigones reforzados con fibras de acero con altas dosificaciones de fibras. Figura 4: Resistencia a compresión promedio. 4.3. Resistencia a tracción A partir de los resultados de resistencia a tracción, cuando se añaden 1,2 kg/m3de fibras se observa un incremento en la resistencia a tracción del HMAR-C (6 mm de longitud) del 14% sobre el HR debido a su mayor relación de aspecto y longitud de adherencia, resultando en un aumento del área interfacial entre matriz y fibras [8]. Por el contrario, las fibras HMAR-A (12-300 µm de longitud) y HMAR-B (3 mm de longitud) no aumentan notablemente la resistencia a tracción. Para 3 kg/m3, se observa de nuevo un aumento de la resistencia a tracción de las fibras HMAR-C más largas (22% respecto a las no reforzadas). Por el contrario, las mezclas HMAR-A y HMAR-B no muestran mejoras. Las mezclas FC-A y FC-B deben compensar su menor relación de aspecto con un mayor número de fibras. A mayor número de barreras, se reducen las vías de propagación de grietas de menor energía. Respecto a 6 kg/m3, lo más destacable es que la mezcla HMAR-B, por primera vez, aumenta la resistencia a tracción en un 14% respecto al HR. El número de barreras en la matriz es significativo para dificultar la propagación de grietas. La mezcla HMAR-C sigue aumentando la resistencia a tracción (36% respecto al HR). Por otro lado, la mezcla HMAR-A sigue sin mejorar la resistencia a la tracción respecto al HR. Además, los macroporos se reducen por la presencia de fibras de carbono de forma más significativa para HMAR-B y HMAR-C en el rango de tamaños de poro entre 0,61-1,48 mm y por debajo de 1,02 mm, respectivamente. R evista de Mecánica de la Fractura Vol.6 (2023 ) 1 2 6 Figura 5: Resistencia promedio a tracción. 4.4. Energía de fractura En la Figura 6 se muestra la energía de fractura media independiente del tamaño de todas las mezclas y contenidos de fibra. Para el HMAR-A, se observa una tendencia ascendente hasta una concentración de fibra de 9 kg/m3, con un máximo promedio de 92,5 N/m. Esto representa un incremento del 42% respecto al HR. Esta concentración de fibras es la que conduce a un ligero incremento de la resistencia a tracción (Figura 5), pero la energía de fractura depende de otros factores como el desplazamiento de apertura de la boca de la fisura, que está esencialmente influenciado por la interfaz de unión matriz-fibra y la densidad de empaquetamiento de la matriz [9]. Para las concentraciones de 15 y 20 kg/m3no se observa una tendencia clara porque el número de fibras es tan elevado que se reduce la trabajabilidad y empeora la distribución de las fibras en la matriz. En cuanto a la mezcla HMAR-B, la característica más destacable es que sigue una tendencia creciente de la energía de fractura hasta una concentración de fibras de 20 kg/m3, con un valor de 192,4 N/m. Esto supone un incremento del 195% respecto al HR. El mayor incremento relativo se produce de 15 a 20 kg/m3, un 77,4%. Es normal que los parámetros de fractura aumenten al aumentar el contenido de fibra. Esto no ocurre para el HMAR-A porque no todas las fibras tienen la misma relación de aspecto. Este tipo de fibra proporciona mejores resultados porque el número de fibras y la relación de aspecto están equilibrados. Así, la mayor y más uniforme relación de aspecto de las fibras que en el HMAR-A, mejora la unión matriz-fibra, uniendo fisuras de mayor tamaño y, un mayor número de fibras en el HMAR-C hace que, el camino de energía mínima para la propagación de la grieta sea más tortuoso, es decir, que requiera una mayor energía de fractura. En todas las muestras suele producirse un aumento generalizado de la desviación de los resultados al aumentar la concentración de fibras, como era de esperar. Para HMAR-C, siempre muestra una tendencia creciente de la energía de fractura alcanzando un máximo de 172,5 N/m para 20 kg/m3(Figura 6). Esto representa un incremento del 165% respecto al HR. El mayor incremento relativo se produce de 9 a 15 kg/m3(88,2%). El aumento del número de fibras mejora la tenacidad a la fractura como HMAR-B. Sin embargo, este aumento de fibras incrementa la desviación estándar de los resultados en un 6-14% para concentraciones superiores a 6 kg/m3. Para concentraciones de fibras de hasta 9 kg/m3, se obtiene una mayor energía de fractura para fibras de 3 mm (HMAR-B). Sin embargo, en el caso de las fibras de 6 mm (HMAR-C) los resultados se aproximan más entre sí. Figura 6: Energía de fractura promedio. 5. CONCLUSIONES En este trabajo se ha analizado en profundidad el efecto de diferentes contenidos de fibras de carbono en la microestructura de la matriz de HMAR mediante tomografía y porosimetría de mercurio. Además, el estudio relaciona las propiedades de fractura del HMAR con los resultados microestructurales. De los resultados se pueden extraer las siguientes conclusiones. •Es normal que los parámetros de fractura aumenten al aumentar el contenido de fibra. Aunque, esto no ocurre para el HMAR-A porque no todas las fibras tienen la misma relación de aspecto. •Cuando se añaden las diferentes fibras de carbono, se observa una disminución del volumen de los macroporos, y cuando la longitud de la fibra es mayor, esta disminución es más significativa. R evista de Mecánica de la Fractura Vol.6 (2023 ) 1 2 7 •En el HMAR-B, el aumento del número de fibras mejora la tenacidad a la fractura. Sin embargo, este aumento de fibras incrementa la desviación estándar de los resultados. •El tamaño de poro predominante se sitúa en 0,51 mm. •Para los tamaños de poros comprendidos entre 0,51 y 1,4 mm, la curva de distribución diferencial del tamaño de poro del hormigón sin refuerzo siempre está por encima de las mezclas reforzadas con fibra de carbono. AGRADECIMIENTOS A los autores les gustaría agradecer la contribución del Ministerio de Economía y Competitividad de España por la financiación del trabajo realizado mediante el proyecto PID2019-110928RB-C33. 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