Los composites: características y aplicaciones en la edificación

LOS COMPOSITES: CARACTERÍSTICAS y APLICACIONES EN LA EDIFICACIÓN (COMPOSITES: CHARACTERISTICS AND APPLICATIONS IN BUILDING CONSTRUCTION) M. Olivares Santiago, C. Galán Marín, J. Roa Femández Dpto. ConstruccionesArquitectónicas 1. Escuela T. Superior de Arquitectura de la Universidad de Sevilla Fecha de recepción: 24 N-03 ESPAÑA RESUMEN En este artículo los autores analizan los materiales compuestos desde elpunto de vista de sus aplicaciones en el campo de la construcción. Se realiza un recorrido por los diferentes aspectos dejinitorios de los mismos: conceptos, tipos y características de cada uno de sus componentes, para, a continuación, desde un punto de vista práctico, analizar las propiedades, ventajas einconvenientes de su aplicación en la construcción arquitectónica. Finalmente, se completa el trabajo con una exposición de casos reales en los que han sido aplicados estos materiales en el mundo de la construcción 1. MATERIALES COMPUESTOS 1.1. Concepto de los materiales compuestos Material compuesto es aquél constituido por dos, omás, componentes cuyas propiedades son superiores alas que tienen cada uno por separado, permaneciendo todos perfectamente identificables en la masa del elemento. El material compuesto no es una invención humana, ya que existe en la propia naturaleza, así, la madera, es un ejemplo bastante típico puesto que está constituido por armaduras de fibras de celulosa envueltas en una matriz de resinas naturales; las fibras dan, en algunas direcciones, la resistencia necesaria al vegetal. También en el cuerpo humano existen materiales compuestos, como los huesos, formados por una especie de cemento cálcico yfibras de colágeno. En edificación, el primer material compuesto debido al hombre es el adobe, formado por barro yuna armadura abase de paja, ytambién se utiliza, aunque en menor medida, el yeso armado con crines de caballo. Sin 605-1 SUMMARY In this paper, the authors analyse composite materialsfrom the point ofview oftheir applications in the building construction jield. An overview through the different distinctive aspects of composites is presented: concepts, types and characteristics of their components. Fo//owing, andfrom apracticalpoint of vielv, advantages anddisadvantages ofthe application of composites in construction are analysed. The artic/e inc/udes also anumber of cases, real applications of these composite materials in the construction industry. embargo, es el hormigón armado el material compuesto más famoso ymás utilizado en la construcción y la ingeniería civil. El hormigón, como bien se sabe, presenta una buena resistencia acompresión pero malas características atracción. El refuerzo con barras de acero consigue que el material compuesto resultante, el hormigón armado, tenga, por un lado, una muy buenaresistencia acompresión, debida al hormigón, y, por otro, unas muy buenas resistencias atracción, aflexión y a cizallamiento por la presencia del refuerzo metálico. La denominación de compuesto estájustificada ya que el refuerzo yla matriz existen. Esta denominación también se emplea en materiales como el amianto-ce- mento, morteros yhormigones reforzados con fibras de acero, de vidrio opolimérica (Tabla 1). Apartir de los 70, dentro de los denominados nuevos materiales han aparecido los «composites», que hoy en día son los nuevos materiales de mayor producción yaplicación, lo que explica que, en muchos casos, se crea que composites ynuevos materiales son la misma cosa. 46 lnfonnes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 TABLA 1 Materiales Compuestos ····MATERIAL· MATlÚZ .FLBRASf ~FUERZ6 . . ,J~NLA .. ,-.RESINAS FIBRA DE NAtURALEZA MADERA ,:\;~:. ". "¡,~:' .NATURALES CELULOSA HUESOS CEMENTO FIBRA DE CÁLCICO COLÁGENO ADOBE BARRO PAJA ANTIGUEDAD YESO ARMADO YESO CRINES DE CABALLO HORMIGON HORMIGÓN ARMADURA DE ARMADO ACERO AMIANTO MORTERO DE AMIANTO CEMENTO CEMENTO MORTEROS YMORTERO ACERO, VIDRIO, HORMIGONES POLIMÉRICAS, FIBROSOS HORMIGON CARBONO, VEGETALES MODERNAS VIDRIO, YESO ARMADO YESO POLIMÉRICAS, VEGETALES VIDRIO, COMPOSITES RESINA POLIMÉRICAS, CARBONO, ARAMIDA MORTEROS RESINA ÁRIDOS POLIMÉRICOS Esencialmente, lo que se entiende por «composite» omaterial compuesto es una composición artificial, de fases diferentes ydiferenciadas, aunque solidarias, cuyo mayor volumen lo ocupa su "fase matriz", componente de no muy alta densidad, de naturaleza polímera ysintética, en la mayoría de las preparaciones, que engloba una segunda fase, "fase de refuerzo", compuesta generalmente abase de fibras (también pueden ser partículas oláminas), con resistencias a la tracción, muy superiores a la que posee la matriz. Las partículas, fibras oláminas, englobadas dentro de la matriz, actúan como armaduras orefuerzos de la misma, pudiendo llegar aabsorber la práctica totalidad de las cargas que se aplican al compuesto. No les parece muy adecuado a algunos hablar de "composite"existiendo en castellano la palabra "compues- to", sin embargo, se ha generalizado su uso para definir a aquellos materiales compuestos, de reciente aparición, cuya matriz es polimérica, para distinguirlos de los de matriz cementicia ode yeso. Las últimas investigaciones están ampliando esta denominación alos materiales compuestos de matriz metálica ycerámica, aunque los mismos aún no tienen aplicaciones dentro del campo de la construcción arquitectónica. 1.2. Componentes de los composites Casi todos los denominados composites están constituidos por dos fases: una, sustentante omatriz, yotra, reforzante, que está inmersa ofirmemente adherida a la primera. La fase matriz del composite suele ser la más tenaz, aunque también la menos resistente ydura. La fase reforzante suele ser, por el contrario, la de mayor resistencia ycon más alto módulo elástico, pero también la de mayor fragilidad. La combinación ycompensación de dureza yblandura, fragilidad ytenacidad en los compuestos bien diseñados hace que estos materiales tengan muchas aplicaciones yrespondan amuy variadas exigencias constructivas. En definitiva, podemos decir que la fibra aporta rigidez y resistencia yque la matriz es flexible ypoco resistente, aglomera las fibras, les da forma ytransmite los esfuerzos entre fibras. Dentro de los composites se pueden establecer tres tipos (Figura 1): Composites particulados, cuya fase inmersa en la matriz se compone de partículas con formas más omenos aproximadas a la esférica. 47 Informes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 Composites fibrosos, llamados así cuando el material de refuerzo está formado por fibras, esto es, por elementos en los que una dimensión predomina notablemente sobre las otras dos. Dentro del compuesto, las fibras de refuerzo pueden quedar orientadas de diversas formas (Figura 2). a) de forma unidireccional (fibras largas) b) de manera aleatoria (fibras cortas) c) con disposición ortogonal (mallas ortogonales) d) en varias capas alternadas. Finalmente, los eomposites laminados, son aquéllos en los que suelen alternarse las fases componentes en forma laminar, yno siempre con espesores semejantes. 1.2.1. Las matrices. Tipos ycaracterísticas La matriz rodea, protege ysoporta las fibras para: proteger alas fibras de las condiciones medioambientales, proteger alas superficies de las fibras contra el desgaste, proteger a las fibras frente alos esfuerzos de compresión yprevenir el pandeo de las fibras. El tipo de matriz utilizado en la fabricación del composite influye, evidentemente, en algunas de las características del producto final. Influye muy poco en las propiedades mecánicas de tracción yflexotracción, pero, sin embargo, bastante en las propiedades mecánicas de cortante, y, de manera notable, en las propiedades mecánicas de compresión. Por otro lado iniIuye también mucho en las condiciones de fabricación (viscosidad, punto de fusión, temperatura de curado...) 1.2.1.1 Tipos de matrices Las matrices de los eomposites, de una manera muy general, se pueden clasificar en termoestables otermoplásticas, según las variedades indicadas en la Tabla II. Figura 1.- Tipos de Materiales Compuestos. Figura 2.- Tipos de Composites Fibrosos. TABLAII Clasificación de matrices en los composites l.- M ATRlt:ESPOLIM'ÉRICAS U'ORGÁNICAs ¡ ,~ .. Termoestables Termoplásticas Poliésteres insaturados (UP) Nylon Viniléster o ésteres vinílicos (VU) Poliésteres saturados (PET-PBT) Epoxi (EP) Policarbonato (pe) Fenólicas (PF) Poliacetato Polyimidas (PI) Poliamida (PA) Poliéter-Éler Ketona (PEEK) Polisulfonato (PSUL) Elastóremos Poliuretano (PU) Siliconas (SI) 48 Infonnes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 Actualmente también se está denominando composite alos materiales compuestos de matriz metálica ycerámica. Además de sus buenas prestaciones mecánicas, estos composites, frente asus homólogos de matriz orgánica tienen la ventaja de poder ser utilizados con altas temperaturas; sin embargo, son aún muy costosos yestán en fase de investigación, ohan tenido muy pocas aplicaciones en el campo industrial, por lo que se puede afirmar que su uso en la construcción queda todavía un poco lejano. Dentro del campo de la construcción, las matrices más empleadas son las termoestables, y, dentro de éstas, las de poliéster, viniléster, fenólicas yepoxi, por lo que sólo vamos aanalizar acontinuación las características de éstas. Apesarde que todas estas resinas tienen, cada una de ellas, unas propiedades muy específicas, sin embargo, las matrices termoestables reúnen, en general unas características comunes que enumeramos acontinuación: -Viscosidad muy baja antes del curado. -Estabilidad térmica. -Resistencia química. -Poca fluencia yrelajación por tensión. -Buena capacidad de preimpregnado. -Facilidad de fabricación. -Economía. RESINAS DE POLIÉSTER Son las más usadas, su obtención industrial da lugar aun compuesto sólido, que hay que disolverparaobtener la fluidez suficiente a fin de que la impregnación de las fibras sea posible, por lo que se suministra disuelta en estireno, que va aparticiparen la reticulación. Suele venir mezclada con un acelerador que ayuda al catalizador adescomponerse y pueda comenzar asi la reacción química de reticulación. Hay muchos tipos de resinas de poliéster comercializadas (Tabla I1I), para muy diferentes clases de aplicaciones, pudiéndose conseguircomposites con distintas calificaciones de resistencia al fuego (M 1, M2 oM3), composites con una alta resistencia alos rayos U.v. ya la humedad, con mayor resistencia química, con una másresistencia más alta al impacto, con resistencia aaltas temperaturas (hasta 140 oC), etc. El uso de distintas clases de catalizadores y aceleradores aumenta las posibilidades de aplicaciones de estas resinas. Los composites realizados con las resinas de poliéster responden alas siguientes propiedades: -Baja viscosidad, buena trabajabilidad. -Tiempo de curado rápido. -Muy alta contracción durante el curado. -Gran rango de aplicaciones debido alos diferentes tipos de resinas de poliéster que pueden conseguirse. -Posibilidades de curado tanto atemperatura ambiente como aaltas temperaturas. -Buena resistencia eléctrica. -Magnífica relación calidad/precio. -Buenas propiedades del composite, aunque inferiores a los conseguidos con algunas otras resinas. RESINAS VINIL-ÉSTER Su manejo, aspecto yolor es similar alas de poliéster al venir también disueltas en estireno. Su contracción durante la reticulación es menor, originando menos huecos y, por tanto, aumentando todas las propiedades, tanto mecánicas como de resistencia química ydurabilidad. La resistencia al impacto mejora sustancialmente, dando lugar al reforzarla con "kevlar" acomposites de alta tenacidad. Las principales propiedades de los composites realizados abase de resinas vinil-éster son las siguientes: -Buenas cualidades mecánicas, y, de forma particular, excelentes resistencia ala fatiga. TABLA III Tipos de resinas de poliéster más utilizadas ysus aplicaciones TIPOS APLICACIONES Ortoftálicas Semirrígidas: estratificados industriales, placas onduladas. Rígidas: barnices, preimpregnados. Isoftálicas Gel coats, depósitos, ingeniería química ... Tereftálicas Ingeniería química, estratificados con alta resistencia química. Tetrahidroftálicas Barnices, depósitos de alimentos, cubas. Bisfenólicas Aplicaciones anticorrosión, alta resistencia química. Resinas del ac. tetraeloroftálico Comportamiento al fuego mejorado. Resinas del ac. Het Resistencia al fuego, anticorrosión. Resinas al MMA Estratificados para el transporte, placas, cúpulas. - Excelente fluidez, o baja viscosidad, que facilita su impregnabilidad ymoldeo. -Buena adhesión con las fibras de refuerzo. -Resistencia ala corrosión incluso en agua caliente. -Estabilidad contra agentes químicos ydisolventes. -Tiempo de curado rápido. -Alta contracción durante el curado. RESINAS FENÓLICAS Su uso es muy adecuado en construcción debido alas altas temperaturas que pueden llegar asoportar, además tienen la ventaja de que cuando arden lo hacen sin emitir gases tóxicos. Reforzado con fibra de vidrio se consiguen productos calificados como MO. Existe resina para la fabricación por contacto manual, prensa y' preimpregnado. Las principales propiedades de los composites realizados abase de resinas fenólicas son las siguientes: -Excelentes características eléctricas. - Buena resistencia atemperaturas elevadas. - Muy buena resistencia al fuego. -Resistencia ala abrasión. - Buena resistencia al ataque químico yde forma especial al de los disolventes orgánicos. -Excelente adhesión aotras resinas, como epoxi, ureaformol, etc. -Estabilidad dimensional. RESINAS EPOXI Es la de mayor precio, pero también la de mejores propiedades. Presenta una gran capacidad para adherirse ala mayoría de las superficies, y, en consecuencia, al igual que pasa con las resinas fenólicas, permite unos porcentajes muy altos de refuerzo. Es completamente diferente alas resinas de poliéster yexige una preparación mucho más estricta durante su uso. Mientras que en las resinas de poliéster el porcentaje de catalizador no es excesivamente importante, variando con el mismo la velocidad de reacción, con las resinas epoxi es necesario el uso de balanzas de precisión para la dosificación del catalizador, siendo necesario cambiarel tipo del mismo cuando quiera variarse la velocidad de reacción. Son más seguras al no ser tan inflamables ymás tenaces al tener una alta capacidad de alargamiento. También existe en el mercado una alta gama de tipos de resinas epoxi. Las principales propiedades de los composites rcalizados abase de resinas epoxi son las siguientes: -Excelentes propiedades del composite en general. -Baja retracción durante el curado. -Bucn comportamiento atemperaturas elcvadas, hasta 180 oc. -Buena resistencia yestabilidad ante los agentes químicos ydisolventes. -Ausencia de volátiles durante el curado. 49 Informes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 -Muy buenas propiedades eléctricas. -Buena adhesión acasi todas las fibras. -Largo tiempo de curado. -Coste relativamente alto. Las características ypropiedades del composite van adepender mucho del tipo de matriz utilizada. En la Tabla IV se dan algunos datos comparativos de las características más importantes de las cuatro resinas poliméricas termoestables que hemos definido en los párrafos precedentes. TABLA IV Propiedades de las matrices poliméricas termoestables MATRICES TERMOEST ABLES <G8 en o <G ~~~ ~x~ f- <UJ en zf-~ <~ PROPIEDADES ~~2 iñ2fu ..J"- Vi~~ ..J< ~UJ~ ~e:- ~z~ 2~ z;; UJ "- Densidad (g/cm') 1.17-1.26 1.17-1.25 1.25-1.3 1.17-1.25 Alargam. <3 6-8 <3 3.5-7 arotura (%) Fluencia Muy baja Temperatura de T.Amb. aT.Amb. a150 a 190 T.Amb a 175 moldeo (0 C) 180 170 remp. de 80-160 80-130 100-150 100-150 rebland. (0 C) Resistencia a deform.lérm. 55-90 60-110 150 55-85 (oC) Cualidades de flujo atemper. Muy buenas (fluidos) trabajo Calor de Reacción exotérmica con mayor desarrollo reacción térmico según la pieza Contracción 6-10 1-3 0.5-1.5 0.1-1 fraguado (%) 1.8-2.4 Contraccioncs Contracción compensable por adición de desiguales partículas termoplástieas Contracción Para masas de moldeo casi nula posterior (%) <3 Nula <0.4 Nula Tiempo de <6 sin 6-12 <6 sin <6 a almacenaje aire/luz según hum. a T.Amb (mcses) presenl T.Amb Alcohol Agua 37% HCL Agua Gasolina Aceiles Diox.c1oro Resistente as.acuosas Benzol Grasas Agua mar Fucl A. miner Gasolina Alquitranes Gasolina Grasas Benzol Alcohol Agua hirv Agua hirv. Ácidos c. Ésteres C. Ácidos SO,II,(75%) No rcsistcnte aLcjía c. Álcalis c. y Agua hirv. Benzol Celo nas Álcalis NaOCI(6%) Alcohol Acciona concentro NaOII(15'Yo) Toluol No Dilicilm. Difoc. No Intlamabilidad aUloexling intlamabl Intlamab. aUlocxting. Arde No funde Reparación Sobrclaminación yencolado 50 Infonnes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 1.2.2. Las fibras. Tipos y características Las fibras del refuerzo han de ser fuertes, resistentes, rígidas, ligeras ycon una temperatura de fusión alta, prefiriéndose las fabricadas con materiales que tengan límites plásticos específicos ymódulos de elasticidad específicos altos. La influencia de las fibras sobre las características totales del composite es definitiva. Las propiedades del composite son función tanto del porcentaje como de la orientación de las fibras. El mayor porcentaje de las fibras incrementa la resistencia yrigidezdel composite; pero no debe olvidarse que el porcentaje máximo deberá estar limitado para asegurarasí que la totalidad de la superficie de las fibras quede recubierta con el material tenaz de la matriz, este limite máximo suele establecerse en el 80%. La orientación del refuerzo también influye de una forma determinante en las características del composite, y, fundamentalmente, en su módulo de elasticidad (Figura 3). Las fibras contínuas y colocadas paralelas y unidireccionalmente, originan la estructura más resistente, cuando las cargas se aplican paralelas alas fibras, aunque con el problema de una fuerte anisotropía (Rovings). Por ello, se utiliza también la colocación de fibras en disposición ortogonal cruzadas en una ovarias capas, sacrificando las máximas resistencias posibles en aras de una mayor uniformidad estructural del composite (tejidos).También es frecuente que las fibras estén orientadas aleatoriamente en todas direccíones, osin ninguna dirección predominante, siendo, en este caso, las características del composite bastante menores. Asimismo, existe una relación entre la orientaciónyel porcentaje de las fibras, así cuando se trata de fibras continuas colocadas unidireccionalmente puede llegarse al máximo porcentaje de fibras, establecido en un 70-80%. En el caso de composites con el refuerzo colocado ortogonalmente los porcentajes de las fibras se reducen aun 45-65%. Y finalmente en el caso de distribución aleatoria de la fibra el porcentaje se reduce hasta quedar establecido entre un 20 yun 40%. Los principalcs tipos de fibras utilizadas en los composites pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: vidrio, sintéticas, carbono yaramida. FIBRAS DE YIDRlO Son las más utilizadas como rcfuerzo en los composites aplicados ala construcción, debido, fundamentalmente, a la excelente relación existente entre características yprecio. Las fibras de vidrio están elaboradas con las mismas materias primas que el vidrio: sílice, cal, alúmina ymagnesita, a las cuales se les añaden ciertos óxidos en porcentajes muy estrictos, según los tipos de fibras que se quieran obtener. Todos estos componentes se mezclan ytrituran hasta conseguir una mezcla homogénea que se introduce en un horno de fusión ala temperatura de 1550 oC, en el cual la mezcla pasa progresivamente aun estado líquido. El vidrio en estado líquido pasa por las hileras, por centenares de orificios de l a 2 mm. de diámetro, ala salida de los cuales son estirados mecánicamente hasta conseguir unos filamentos de 5 a 24 micras, dependiendo de las aplicaciones. Posteriormente se revisten estos filamentos con una dispersión acuosa de compuestos, generalmente orgánicos, operación denominada "ensimaje" que garantiza la unión entre filamentos yla protección del hilo. Los filamentos, una vez revestidos, se reúnen para formar el hilo al que fmalmente se le da un acabado textil oplástico (Figura 3). Las presentaciones industriales de la fibra vidrio para su uso como material de refuerzo de las matrices orgánicas son las siguientes (Figura 4): - Mat: fieltros de hilos cortados ocontínuos aglomerados entre sí mediante un ligante químico. - Roving: bobinas de filamentos (roving directo) ohilos de vidrio (rovingensamblado) que han recibido un ensimaje plástico. -Tejido: superficies constituidas por mechas de roving directo en trama yurdimbre, tratados principalmente con ensimaje plástico. - Hilos cortados: hilos cortados generalmente en longitudes de 3 a 12 mm. - Fibras molidas: fibras trituradas hasta longitudes comprendidas entre O, l y 0,02 mm. Manteniendo su diámetro entre 10 y 17 micras. Las principales características de estas fibras son las siguientes: -Buenas resistencias mecánicas. - Buen aislante eléctrico. -Baja densidad. -Incombustibilidad. -Estabilidad dimensional. -Imputrescibilidad. -Buena flexibilidad. -Bajo costo. -Buena resistencia aagentes químicos. -Baja rigidez. - Menor resistencia ala fatiga que otras fibras. -Alta dureza. Existen muchos tipos de fibras de vidrio, ya que dependiendo del porcentaje de cada uno de sus componentes pueden obtenerse diferentes formulaciones, adecuada cada una de ella, aunas características determinadas. En la Tabla Y, puede observarse la composición de tos diferentes tipos de fibras de vidrio. 51 lnfonnes de la Construcción. Vol. 54. n° 484. marzo-abril 2003 OXIDOS FORMADORES OXIDOS MODIFICADORES ENSIMA.lE BOBINADO l000'C 10&-204 HalAS ESTlRAOO IlECANlCO SiOz epI Alp! CaO MgO ~~~!~>!~ (,,"'~~;~:L' .) COMPOSlClONE l.!' )J~;tt·,:;.: ~ _\ : E.' .~ FUSlONI200'C .J FIBRILADO Figura 3,- Proceso defabricación de la fibra de vidrio E, Figura 4, -Diferelltes presentaciones de la fibra de vidrio, TABLA V Composición de los diferentes tipos defibras de vidrio Componentes Oo .~ ,9 ~ eo 'c guo 00 'i5 eu OOOge 'o <O ~ al O ~ ,2 gÑ Vi ¡.¡. <Il o ::z: ¡:: :¡¡¡ os OÑ ¡:¡.. os U" .. ""u os "e '¡;; "C o "C """" "C oU a 's -¡; "o.::J "C "C "C "C o .. <'1 Ue "C ¡¡: oOOo "C 2¡'¡' 00 "C O en .::J os 'x 'x "C "C "C "C 'x O < ~ -O ·0 'x 'x 'x 'x -O ::J -O -O ·0 -O ¡¡: Tipos vidrios Polival. E53-54 \4-15,5 20-24 sumados 6,5-9 0-0,7 Total 11 1- Resisten!. A70-72 0-2,5 5-9 4-\ 0-0,5 -12-15 -1- - a ácidos C60-65 2-6 14 1-3 2-7 -8-10 - - - - - - Resistentes a65-70 4-8 -14-20 0-3 -6-12 -- álcalis 62-75 0-6 -0-6 13-21 7-17 -0-5 0-4 1-10 0-2 Alta R60 25 6 9 - - - resislcnc, rnacánica S62-65 20-25 10-15 0-1.2 0-1.\ - Dieléclr. D73-74 0.5-0,6 sumados 22-23 1.3 - 1.5 - Los tipos de fibras de vidrios más corrientes son los siguientes: Fibra de vidrio E: es la más utilizada, ya que representa el 90% del refuerzo utilizado en los composites, También es la que más se utiliza en la industria textil. Tiene muy buenas propiedades eléctricas. Es durable yde baje coste, Poca absorción de humedad, Fibra de vidrio A: tiene un alto porcentaje de sílice, Sus propiedades mecánicas son inferiores ytiene un módulo más bajo que el vidrio E, Se utiliza como reforzante ytiene una gran resistencia química, Es resistente amedios alcalinos, Fibra de vidrio B: es borosilicato de calcio de bajo contenido en álcalis, De gran durabilidad, posee excelentes propiedades eléctricas. 52 Infonnes de la Construcción, Vol. 54, n" 484, marzo-abril 2003 Fibra de vidrio S: tiene muy buenas resistencias mecánicas y, en especial, una alta resistencia a la tracción. Muy estable térmicamente se utiliza, fundamentalmente, en aeronáutica. Fibra de vidrio C: de altas resistencias químicas. Es un vidrio intermedio entre el A y el E. Se utiliza en las capas superficiales de elementos expuestos a la corrosión ode estructuras anticorrosión Fibra de vidrio R: tiene unas altas resistencias mecánicas, siendo su resistencia a la tracción ysu módulo de elasticidad muy superiores alos de los otros vidrios. Se emplea, sobre todo, en los campos de la aeronáutica, aviación, armamento y, en general, cuando se exigen materiales muy resistentes a la fatiga, la temperatura y la humedad. Fibra de vidrio D: tiene unas altas propiedades dieléctricas por lo que su empleo es recomendado en la construcción de materiales electrónicos, de comunicaciónycomo material permeable alas ondas electromagnéticas. Se utiliza en la fabricación de radares yventanas electromagnéticas. Fibra de vidrio AR: es la que se utiliza para armar los morteros de cemento (GRC) porser resistente alos álcalis del cemento. FIBRAS SINTÉTICAS Las fibras sintéticas existentes se fabrican apartir de polúneros termoplásticos constituyendo, en general, unos materiales muy estables yduraderos. Las más conocidas son las siguientes: Polipropileno: son fibras de homopolímero de propileno 100% fibrilado eimprimado, de diferentes longitudes según la aplicación. Es un material inerte, compatible con todo tipo de cementos yaditivos, por lo que se utiliza para armar morteros de cemento yen la construcción de materiales geosintéticos. Tiene muy buenas propiedades mecánicas. Polietileno: se fabrican, al igual que las de propileno, a partir de las poliolefinas y, como ellas, se utilizan para armar los morteros de cemento yen la construcción de materiales geotextiles. Nylon: se consiguen apartir de la poliamida, por lo quc a veces se denominan de esta forma. Con buena resistencia a la tracción ya la extensión se emplea en el armado de suelos, en materiales geosintéticos. Poliéster: además de emplearse en el campo de los geotextiles, son las fibras que,junto alas de vidrio, más se utilizan en la arquitectura textil combinadas con una matriz termoplástica, normalmente policloruro de vinilo (PVC). FIBRAS DE CARBONO Se obtienen apartir de una fibra previa, a la cual se le llama "precursor" yque puede ser el PAN (poliacrilonitrilo), en cuyo caso el proceso se denomina PAN, oel PITCH, que es una especie de alquitrán, en cuyo caso el proceso se denomina PITCH. En ambos procedimientos, se pasa por unas fases sucesivas de: tratamiento térmico ehilado, calentamiento hasta 1.000 ó2.000 oC según el proceso, carbonización ygrafitización. De esta forma se consiguen fibras de carbono de alto módulo con alta o baja resistencia. Previo a la grafitización se han obtenido fibras de carbono de bajo módulo y alta resistencia. Por lo que alas fibras de carbono de alto módulo deberían denominarse fibras de grafito (Figuras 5 y 6). Las características más importantes de las fibras de carbono ografito son las siguientes: -Gran rigidez. -Bajo peso. -Alta resistencia. -Coeficiente de dilatación muy bajo, lo que le proporciona una gran estabilidad dimensional alas estructuras. -Conductividad térmica elevada. -Alto coste. -Baja resistencia al choque. -Favorece corrosiones de tipo galvánico debido alas diferencias de potencial que genera en contacto con los metales. La relación características/precio es muy alta, por lo que su uso en la edificación es en aplicaciones muy específicas. OXlDAClOO 200-300'C 1 A2 HalAS fj) [~_~~J PRECLRSOR PAN. CARBOt-UACION 700-1500'C 2A 10 MPlJTOS ~ E __ o] TRATM1IENTO SU'ERFlCIAl.. ENSlMAJE FIBRA tE AlTA RESISTENCIA GRAFITIZACIOO > 2000'C 1 A2 MINUTOS [- J --------- -] ... ------- J Fig/lra 5.- Proce.m defabricación de laJibra de carbono. Fig/lra 6. -Presentación de la fibra de carbono. 53 Infonnes de la Conslrucción. Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 Actualmente se están utilizando, cada vez de forma más frecuente, composites carbono-epoxi en la reparación orefuerzo de estructuras de hormigón. FIBRAS DE ARAMIDA Las fibras de aramida son orgánicas ysintéticas yse obtienen mediante un proceso de extrusión ehilado apartir de poliamidas aromáticas del tipo politereftalato de polifenilendiamida. Existen distintos tipos de fibras de aramida siendo el Kevlar la que ha tenido el mayor éxito comercial (Figura 7). Las cuatro principales son: Kevlar Rl, Kevlar 29, Kevlar 49 yNomex. De todas ellas es el Kevlar 49 la fibra que más se utiliza para los composites de altas prestaciones. Figura 7.- Fibra de aramida. Las principales características de las fibras de aramida en general ydel Kevlar en particular, son: -Muy bajo peso. -Gran resistencia al impacto. -Gran resistencia ala tracción. -Muy baja resistencia ala compresión. -Escasa adherencia amatrices termoplásticas. -Resistencia aagentes químicos. -Estabilidad mecánica entre -30 oC y+200 oC. Es muy importante que el aditivo elegido sea compatible con los demás componentes del compuesto yque sus propiedades sean, como mínimo, las exigidas al composite, para no disminuir las características exigidas al mismo. 1.3. Compatibilidad de matrices yfibras. Las buenas parejas No todas las matrices pueden ser reforzadas con todas las fibras, por lo que es muy importante analizar las compatibilidades entre las diferentes fibras ymatrices. En la Tabla Vse ha hecho un estudio comparativo de las diferentes fibras utilizadas en los composites. 1.2.3. Las cargas. Tipos ycaracterísticas En la Tabla VI, se han resumido las compatibilidades entre las matrices yfibras más utilizadas en la fabricación de los composites atendiendo ados niveles: combinación buena TABLA VI Compatibilidades entrefibras ymatrices para composites CARBONOHST g ;:2 ¡;:- (2 i= e e:. x Vl -< o Vl ~ 2 1- zc... Vl -:> UJ -< e>:~ -< o: UJ Z 1- o Vl Vi z ·UJ UJ UJ :¡ e>: "- 2 B B B B PBP P BBBB PBB B PBBP PBPB pB CARBONO HM ARAMIDA VIDRIO S VIDRIO E VIDRIO C POLlETILENO FIBRAS CARBONO HT Las cargas se añaden alas matrices yfibras para conseguir mejorar algunas de sus cualidades opara reducir el costo total del composite. Pueden ser de dos tipos: reforzantes o no reforzantes. 1.2.4. Los aditivos. Tipos ycaracterísticas Los aditivos suelen utilizarse en la fabricación de los composites cada vez con más frecuencia, aunque en proporciones inferiores alas empleadas para las cargas. Pueden ser de varios tipos: lubricantes, desmoldeantes, estabilizantes, ignifugantes, fungicidas ocolorantes. Las cargas reforzantes suelen tener forma esférica, huecas omacizas, para evitar de esa forma las concentraciones de tensiones ypuedenser: de vidrio, de carbono opoliméricas. Las no reforzantes, son fundamentalmente de origen mineral, por lo que son muy baratas yhay que incorporarlas a la mezcla en proporciones que dependerán de las características que se quieran conseguir. Las más empleadas son los carbonatos, los silicatos ylas sílices. Las cargas no reforzantes pueden tener como finalidad, principalmente, la de abaratar el producto, aumentar su resistencia al fuego oincrementar su capacidad conductora, ya sea de electricidad ocalor. 60 Infonnes dc la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 materiales convencionales son: bajo peso, resistencia a la corrosión, resistencia alos golpes, fácil instalación, precio competitivo, estética (al poder conseguirse cualquier tipo de formas ycolores), baja conductividad térmica ygran confort acústico (Figura 27). 3.7. Impermeabilización de cubiertas Los composites con matriz polimérica, generalmente PVC osimilares, son muy utilizados en impermeabilizaciones de cubiertas, gracias asus propiedades frente al agua a su elasticidad ysu técnica de colocación (Figuras 28, 29 Y 30). 3. 8. Electricidad Los composites con matriz polimérica, generalmente resina de poliéster oepoxi reforzadas con fibra de vidrio, son muy utilizados en las aplicaciones eléctricas porsus características dieléctricas ysu ligereza, fundamentalmente. 3. 9. Encofrados Los encofrados omoldes para hormigón en compuestos son utilizados para el moldeado de piezas prefabricadas o realizadas en obra. Son ligeros, fáciles de manipular, de larga duración. 3. 10. Elementos de seguridad en obra Se realizan con los composites escaleras, barandillas Yotros elementos de seguridad en obra ya que son de fácil instalación, poco peso, resistentes atodos los ambientes yno necesitan mantenimiento 3.1 11. Edificios en composites Entre los años 50 y60 han aparecido en numerosos paises muchas realizaciones de prototipos de viviendas realizadas en plástico reforzado. Se tenían puesta muchas esperanzas en estos materiales ya que los diseñadores podían dejar libre la imaginación para conseguir cualquier tipo de formas, debido a la gran flexibilidad de los mismos. Sin embargo, era el comienzo de los composites ylas características de estos materiales estaban muy lejos de cubrir todas las exigencias ygarantías exigidas para una vivienda. Figura 27.- Aplicación de los composites en mobiliario interior (silla y escalera de caracol). Figuras 28Y29.- Aplicación de los composites en impermeabilización de cubiertas (". 61 Infonnes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 Figura 30. -Aplicación de los composites en impermeabilización de cubiertas (.). Hoydía la mayoría de los problemas presentados han sido ya resueltos ynos encontramos ante un campo importante de aplicación de los composites, que permite la construc- (0) Fotografías cedidas por Composites Jareño S. L. ción de edificios ligeros, reproducibles, modulables, fácilmente transportable yque no necesitan en muchos casos cimentación. (Figuras 31, 32 Y33) Figura 31. -Aplicación de los composites en edificios completos (vivienda en Burdeos diseliada por el arqllÍ- tecto Jean de Giacinto). Figura 32.- Aplicación de los composites en edificios completos (vivienda al norte de Venecia). Figura 33.- Proceso de montaje. 62 Infonnes de la Construcción, Vol. 54, n° 484, marzo-abril 2003 BIBLIOGRAFÍA AEMAe. Actas del ICongreso Nacional de materiales compuestos. (1995). Sevilla. ANTEQUERA, JIMÉNEZ, MIRAVETE (1991). "Los materiales compuestos de fibra de vidrio". Univ. de Zaragoza. ARQUIMACOM'96 (octubre 1996) Libro de Actas de la 1" Conferencia Internacional de los materiales compuestos aplicados en Arquitectura yConstrucción. Sevilla. BAKIS, e. E., BANK, L.C., BROWN, V. L., COSENZA, E., DAVALOS, 1. F., LESKO, 1. 1., MACHIDA, A., RIZKALLA, S. H. AND TRIANTAFILLOU, T. C. 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