Efectos de la temperatura y la presencia de fibras de acero en la microestructura de hormigones de ultra altas prestaciones y su influencia en el comportamiento en fractura

EFECTO DE LA TEMPERATURA Y LA PRESENCIA DE FIBRAS DE ACERO EN LA MICROESTRUCTURA DE HORMIGONES DE ULTRA-ALTAS PRESTACIONES Y SU INFLUENCIA EN EL COMPORTAMIENTO EN FRACTURA José D. Ríos1*, Alicia Afán1, Héctor Cifuentes1 1Departamento 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: j[email protected] RESUMEN El objetivo principal de este trabajo es determinar el efecto de la temperatura y la adición de fibras de acero de diferente longitud en la microestructura de la matriz de hormigones de muy altas prestaciones y establecer una conexión causaefecto con el comportamiento en fractura que presentan dichos hormigones. Se fabricaron cuatro tipos de hormigones con idéntica matriz pero diferente tipo de refuerzo. Para la determinación de las propiedades en fractura, se llevaron a cabo ensayos de flexión en cuatro puntos de cada uno de los hormigones a 300 oC y fueron comparados con idénticos ensayos a temperatura ambiente previamente realizados por los autores. La influencia de la temperatura y del refuerzo de fibras en la microestructura de la matriz fue analizado mediante el uso de tomografía computarizada de rayos X. A partir de los resultados, se observó como la adición de fibras de acero de menor longitud redujo la porosidad de manera más efectiva y con ella se alcanzó la mayor resistencia del material. Sin embargo, las fibras de mayor longitud permitieron mayores deformaciones que conllevó a una mayor energía de fractura. PALABRAS CLAVE: hormigones de ultra-altas prestaciones, comportamiento en fractura, daño térmico, microestructura, tomografía computarizada de rayos X. ABSTRACT The main objective of this work is to determine the effect of temperature and the addition of steel fibres of different length in the microstructure of ultra-high-performance fibre-reinforced concrete matrix and to establish a cause-effect connection with the fracture behaviour of those mixes. Four concrete mixes with the same matrix but different type of fibre-reinforcement was manufactured. For the determination of fracture properties, four-point bending tests at 300 oC for each mix were carried out and were compared with identical tests at room temperature previously performed by authors. The influence of temperature and fibre-reinforcement in the microstructure of matrix was analysed using X-ray computed tomography. From results, it was observed that the addition of shorter steel fibres decreased more efficiently the porosity and higher material strength was reached. However, the longer fibres allowed higher strains which derived into a higher fracture energy. KEYWORDS: ultra-high-performance fibre-reinforced concrete, fracture behaviour, thermal damage, microstructure, X-ray computed tomography. INTRODUCCIÓN Los hormigones de muy alta resistencia se caracterizan por tener una capacidad mecánica significativamente mayor en comparación con los de resistencia normal, tanto en compresión como en tracción, no siendo despreciable la contribución de ésta última, como sí ocurre en los hormigones de resistencia normal. Además, están caracterizados por poseer un matriz menos porosa y en consecuencia son menos sensibles a agentes externos. Si se refuerzan con fibras de acero, se produce una mejora notable de la resistencia a tracción en la matriz [1]. La utilización y desarrollo tecnológico de fuentes de energía renovables es un tema de gran importancia, ya que la mayoría de los países no disponen de fuentes de energía fósiles. El tener una fuente de energía inagotable y no contaminante supone una reducción de costes importantes y una reducción de parte de la contaminación. Sin embargo, requiere de un desarrollo tecnológico en materia de producción y almacenamiento A nales de Mecánica de la Fractura 36, 201 9 14 7 de energía. Entre las fuentes de energía más utilizadas se encuentra la energía solar por ser abundante y estar disponible en gran parte del planeta. Sin embargo, una de las principales desventajas es la discontinuidad de producción debido a los periodos sin radiación solar. De manera que, el disponer de sistemas de almacenamiento que permitan producir energía eléctrica en los momentos de ausencia de radiación solar, supondría un avance significativo en el establecimiento de la energía solar como fuente de energía principal. La fabricación de sistemas de almacenamiento de energía con elementos de hormigón en plantas de energía solar está siendo objeto de estudio frente a otros tipos de materiales. Las principales ventajas que aporta el hormigón son la de ser un material resistente y con capacidad para almacenamiento de energía térmica, y todo ello para un material accesible y de relativo bajo coste en comparación con otras alternativas [2]. En el proceso de almacenamiento, el material debe resistir ciclos térmicos durante periodos prolongados. El estudio de la durabilidad de estos materiales en periodos con exposición de cargas y temperaturas variables, así como los posibles daños térmicos, son de gran interés para determinar la viabilidad de su aplicación. El presente trabajo expone los resultados de parte de una amplia campaña experimental relativa al estudio del efecto de la temperatura en hormigones de muy alta resistencia. Se fabricaron cuatro tipos distintos de hormigones con idéntica matriz, uno sin refuerzo de fibras, usado como hormigón de control, y los restantes reforzados con diferentes tipos de firbas de acero. Para cada uno de los hormigones, se llevaron a cabo los ensayos necesarios para la determinación de las propiedades mecánicas y de fractura a temperatura ambiente y 300 ºC. Además, se extrajeron cuatro muestras de cada hormigón y se les realizó un análisis mediante tomografía computarizada a temperatura ambiente y 300 ºC. El uso de esta técnica permitió obtener información del volumen y diámetros de poros en la matriz de los hormigones y así como, el daño originado a 300 ºC. Se realizó un análisis termogravimétrico de la matriz de los hormigones que permitió cuantificar la pérdida de masa con la temperatura y a qué procesos se deben. El análisis conjunto de los resultados nos permitió conocer cuál es el origen del daño térmico, cómo afecta a la matriz y cuáles son las consecuencias en las propiedades mecánicas y de fractura de los hormigones estudiados. El artículo se ha organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se describe el programa experimental realizado. Se detallan las características de los hormigones utilizados, así como los ensayos llevados a cabo. La sección 3 se muestran los resultados y se hace una discusión de los mismos. Finalmente, en la sección 4 se exponen las conclusiones extraídas. MATERIALES Y MÉTODOS Para este estudio se han fabricado cuatro tipos de hormigones de muy alta resistencia para ser ensayos a temperatura ambiente y a 300 oC. Todos ellos se llevaron a cabo con la misma composición y contenido de fibras de acero (un 2.5% del volumen de hormigón). Los componentes y su contenido se presentan en la Tabla 1. La diferencia entre los cuatro hormigones mencionados radica en el tipo de fibras de acero utilizada para su refuerzo. Tabla 1: Composición y contenido de la matriz de los hormigones. Componentes Contenido (kg/m3) Cemento 544 Humo de sílice 214 Escoria de alto horno 312 Arena silícea (< 800 µm) 470 Arena silícea (< 315 µm) 470 Superplastificante 42 Agua 188 La nomenclatura utilizada, así como el tipo y contenido de fibras se muestran en la Tabla 2. El primero de los hormigones fue utilizado como hormigón de control (HC). Este es un hormigón sin ningún tipo de refuerzo de fibras. El denominado como UHPFRC-1, fue reforzado exclusivamente con fibras Dramix OL 13/0.2 de Bekaert, estás fibras se caracterizan por tener extremos rectos y 13 mm de longitud. El hormigón nombrado UHPFRC-2, estaba reforzado únicamente con fibras Dramix D 65/35G de Bekaert. Estas fibras se caracterizan por tener extremos en forma de gancho y una longitud de 35 mm. Por último, el hormigón UHPFRC-3 fue reforzado con una mezcla de fibras de 13 y 35 mm al 50%, manteniendo la cantidad total de fibras siempre constante en todos los casos. En la Figura 1 se muestran los modelos de fibras de acero utilizadas, las de 13 mm y las de 35 mm de longitud. Tabla 2: Nomenclatura, tipo y contenido de fibras de acero. Material Fibras OL 13/0.2 Fibras 3D 65/35G Hormigón de control (HC) - - UHPFRC-1 196 - UHPFRC-2 - 196 UHPFRC-3 98 98 2.2. Ensayos experimentales de caracterización mecánica y de fractura. Se fabricaron probetas cúbicas de 100 mm de lado, cilíndricas de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura y prismáticas de 440x100x100 mm para llevar a cabo A nales de Mecánica de la Fractura 36, 201 9 14 8 los diferentes ensayos experimentales de caracterización tanto a temperatura ambiente (TA) como a 300 ºC. 2.2.1 Ensayos a temperatura ambiente El ensayo a compresión simple se ha realizado sobre probeta cúbica de 100 mm de lado, siguiendo las indicaciones de la norma UNE EN12390-3:2009 [3]. Los ensayos para la determinación de la energía de fractura en el hormigón de control (HC) se han llevado a cabo mediante ensayos de flexión en tres puntos sobre probeta prismática, con relación de entalla 0.5, siguiendo la norma RILEM TCM 85 [4] y teniendo en cuenta las correcciones propuestas por Guinea, Planas and Elices [5–7]. Para el caso de los UHPFRC, la caracterización del comportamiento a flexotracción de los HMAR fue realizada a partir de ensayos de flexión en cuatro puntos (Figura 3) sobre probetas prismáticas sin entalla de dimensiones 440x100x100 mm3. El método de cálculo para determinar la resistencia a tracción de primera fisura y la resistencia a tracción última fue desarrollado y aplicado por López et al. [8] (ver Figura 3), cuyo trabajo trata sobre la determinación de un método de aplicación en HMAR, para la caracterización a tracción de los hormigones con fibras. La adición de fibras en la matriz de hormigón conlleva la aparición de múltiples fisuras, las cuales inician su propagación y son retenidas por el efecto de cosido de las fibras de acero. Esta zona de múltiples fisuras se encuentra alrededor del pico de la grieta predominante. Los métodos para la determinación del comportamiento a flexotracción mediante probeta de flexión en tres puntos con entalla no estarían [9,10] teniendo en cuenta la contribución de las fibras durante la fisuración del material alrededor de la grieta predominante (zona multifisurada) y por tanto estaría sobrestimando el comportamiento del material. El método propuesto por Lopez et al. [8] consiste en utilizar ensayos de flexión en cuatro puntos (4PBT), sin entalla (ver Figura 2), de manera que haya múltiples secciones sometidas a momento máximo y la grieta. La determinación de la energía de fractura se levó a cabo mediante el uso de un método de análisis inverso [11] basado en el “hinge model” que permite obtener las leyes de ablandamiento bilineal del material de manera inversa a partir de las curvas carga-flecha. 2.2.2 Ensayos a 300 ºC Los ensayos sobre probeta prismática se realizaron a temperatura constante con las probetas dentro de un horno y sin instrumentos de medida. Para los ensayos de compresión y tracción indirecta se realizaron inmediatamente después de ser sacados del horno. Para los ensayos de módulo de deformación longitudinal se llevaron a cabo una vez las probetas se enfriaron al aire a TA. En los ensayos sobre probeta prismática de HC no se determinó la energía de fractura al no poder usar transductor de pinza (CMOD) y, por tanto, controlar la rotura a 300 ºC. 2.3. Análisis termogravimétrico Se ha llevado a cabo un análisis termogravimétrico (TG) y térmico diferencial en los servicios generales de investigación de la Universidad de Sevilla. El ensayo fue realizado en una atmósfera de aire durante el proceso de calentamiento, con una relación de 10 ºC/min hasta 900 ºC. 2.4. Análisis de daño térmico mediante tomografía computarizada. Figura 2: Radiografía bidimensional de uno de los UHPFRC. El análisis tomográfico se ha realizado sobre cuatro muestras de 100x25x25 mm3extraídas de las probetas Figura 1: Flexural strength‐deflection curves and the key points obtained by the use of method proposed [] A nales de Mecánica de la Fractura 36, 201 9 14 9 prismáticas. Las probetas corresponden a la zona superior central de la probeta. La técnica tomográfica permite detectar zonas de diferente densidad dentro del material (poros, fibras y matriz) mediante múltiples radiografías 2D de la muestra (Figura 2). Posteriormente, esas imágenes se reconstruyen (Figura 3) y analizan en 3D mediante un software específico, en nuestro caso fue usado Avizo. El equipo tomográfico utilizado fue el modelo Y.Cougar SMT de la compañía YXLON con rango de voltaje entre 25-160 kV and 0.01-1 mA de intensidad. Para las muestras analizadas se alcanzó una precisión de detalle de hasta 40 µm. Figura 3: Reconstrucción 3D de imágenes tomográficas de una de las muestras UHF RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Figura 4 se muestran los resultados de la TG realizada conjunta con calorimetría diferencial (DSC). Se observa que en el rango entre 20 y 320 ºC se producen pérdidas de masa significativas debidas a dos procesos: la evaporación de agua (entre 20 y 110 ºC) con una pérdida de masa de 1.1 % [12] y la deshidratación de C-S-H gel (entre 166 y 320 ºC) [13] que origina una pérdida de masa de 6.1 %. Figura 4: TG, DTA y DSC análisis del hormigón de control. 3.2 Efecto de la temperatura en la matriz mediante tomografía computarizada. El diámetro equivalente, (deq), la esfericidad, ϕ, y la porosidad total, ϕxr, se muestran en la Tabla 3 a TA y 300 ºC para cada hormigón. Los resultados experimentales a TA corresponden a una investigación previa realizada por los autores [14], mientras que los ensayos a 300 oC se han realizado para esta investigación. A temperatura ambiente, se observa como la adición de fibras de acero no produce una distorsión negativa de la matriz sino que reduce de manera significativa la porosidad total, ϕxr, especialmente para la adición de fibras de menor longitud (i.e., UHPFRC- 1). Las fibras actúan como pequeñas palas que ayudan a mejorar el proceso de amasado durante la fabricación. Sin embargo, el tamaño medio de los poros, deq, aumentó con la presencia de las fibras debido a la concentración de poros alrededor de las fibras [15]. Este hecho se ve reflejado más notablemente en las fibras de mayor longitud que poseen más superficie fibra-pasta de cemento. Además, la concentración de poros alrededor de las fibras lleva a una pérdida de esfericad de los poros, ϕ, como se puede observar en la Tabla 3. A 300 oC, el incremento de temperatura aumenta la presión interna por dos procesos: la evaporación del agua libre y la deshidratación del C-S-H gel como se mostró con el estudio termogravimétrico (Figura 6). Tabla 3: Parámetros de porosidad de los hormigones a TA y 300 o C. Temperatura ambiente Propiedad HC UHPF RC-1 UHPF RC-2 UHPF RC-3 deq (mm) [14] 0.28 ± 0.03 0.33 ± 0.01 0.44 ± 0.03 0.34 ± 0.02 Φ[14] 0.93 ± 0.02 0.91 ± 0.01 0.84 ± 0.01 0.88 ± 0.01 ϕxr (%)[14] 4.0 ±0.9 1.9 ±0.3 3.4 ± 0.8 2.2 ± 0.5 300 oC deq (mm) 0.29 ±0.02 0.21 ± 0.01 0.27 ± 0.02 0.21 ± 0.01 φ0.92 ±0.01 0.91 ± 0.01 0.84 ± 0.02 0.88 ± 0.01 ϕxr (%) 5.0 ± 0.3 3.9 ± 0.3 4.3 ± 0.9 3.6 ± 0.1 Ambos efectos, unidos a la baja porosidad de los hormigones de muy alta resistencia, lleva al crecimiento de micro-fisuras desde la porosidad de la matriz. De los resultados de la Tabla 3 a 300 oC, se deduce que el daño térmico conlleva un incremento de la porosidad total, ϕxr, en todos los hormigones. Aquellos hormigones reforzados con fibras más cortas siguen siendo los que poseen menor porosidad total (i.e., UHPFRC-1 y 2) y que la deformación de la porosidad media prácticamente no se ve afectada. Sin embargo, el cambio más significativo se observa en el diámetro de los poros, deq. Se observa que el valor de diámetro equivalente medio es inferior en los hormigones reforzados con fibras de acero, sobre todo en aquellos con fibras cortas (i.e., UHPFRC-1 y UHPFRC-3). Esto muestra como el daño A nales de Mecánica de la Fractura 36, 201 9 15 0 térmico se afecta fundamentalmente a los poros de menor tamaño haciendo que aparezcan nuevos poros de pequeño tamaño, que a TA estaban por debajo de las 40 μm que son detectables por la tomografía computarizada en este estudio. 3.3. Propiedades mecánicas y de fractura La Figura 7 muestra la resistencia a compresión de cada uno de los hormigones fabricados a temperatura ambiente y 300 ºC. A temperatura ambiene, la adición de las fibras lleva a una mejora significativa debido al efecto cosido de las fibras cuando se generan deformaciones de tracción en el proceso de compresión [16]. El hormigón con menor porosidad (ver Tabla 3) posee la resistencia a compresión más elevada (Figura 7). Respecto a los resultados a 300 oC, se observa como aquellos hormigones con mayor porosidad tienen menor resistencia a compresión exceptuando aquel con fibras largas (i.e., UHPFRC-2). Sin embargo, se observa como la dispersión de resultados en UHPFRC-2 ha sido muy elevada mostrando que el daño térmico generado fue bastante irregular y por tanto, en los resultados de resistencia a compresión. Figura 5: Resistencia a compresión para cada hormigón a TA y 300 oC. En la Tabla 4 se muestran los resultados de las propiedades de fractura determinadas para cada hormigón y temperatura (i.e., TA y 300 oC). Como era de esperar, el efecto cosido [17] de las fibras a llevado a un aumento significativo de la energía de fractura en comparación con el HC. El valor inferior se obtuvo para el hormigón reforzado con fibras cortas (i.e., UHPFRC- 1), ya que aunque mejora la resistencia a la microfisuración, lo cual está relacionado con la mayor pendiente observada en el diagrama de ablandamiento (ver Figura 8), la menor longitud de fibra conlleva una adherencia fibra-matriz más deficiente que se traduce en una pendiente significativamente menor en el segundo tramo del diagrama de ablandamiento bilineal (ver Figura 8) de manera que el área encerrada por el diagrama de ablandamiento (se corresponde con la energía de fractura) es inferior que en los casos de hormigones reforzados con fibras largas (i.e., UHPFRC- 2 y 3). Tabla 4: Energía de fractura y longitud característica a TA y 300 oC. TA 300 oC Material GF(N/m) GF(N/m) HC 64 ± 8% - UHPFRC-1 19204 ± 13% 10167 ± 24% UHPFRC-2 24614 ± 17% 12711 ± 31% UHPFRC-3 32552 ± 15% 10533 ± 7% A 300 oC, los valores de energía de fractura alcanzados se redujeron notablemente debido al incremento de porosidad (Tabla 3) causado por el daño térmico en la matriz, que se observa en la reducción de la pendiente inicial del diagrama de ablandamiento bilineal. Esa primera rama del diagrama es muy similar entre los hormigones reforzados con fibras de acero (Figura 8) debido a que la porosidad (Tabla 3) de éstos toma valores similares a 300 oC. Sin embargo, los hormigones con fibras de mayor longitud (i.e., UHPFRC-2 y 3) alcanzaron energía de fractura más alta debido a que la adherencia fibra-matriz es más eficiente, como se puede observar de las mayores pendientes, en la segunda rama, de los diagramas de ablandamiento bilineal de la Figura 8 a 300 oC. Figura 6: Diagramas bilineales de ablandamiento para cada hormigón a TA y 300 oC. CONCLUSIONES A la vista de los resultados obtenidos se establecen las siguientes conclusiones: • El incremento de temperatura genera pérdida de masa en la matriz debido a la evaporación del agua libre y deshidratación de C-S-H gel hasta 300 ºC. • La tensión interna, generada por la evaporación y deshidratación de C-S-H gel, afecta mayoritariamente a los poros de menor tamaño tanto en el hormigón de control como en los reforzados con fibras. • La presencia de fibras de acero reduce la porosidad de la matriz, especialmente las fibras de menor longitud, mejorando las propiedades mecánicas y de fractura, pero reduciendo la esfericidad de la porosidad. A nales de Mecánica de la Fractura 36, 201 9 151 • En términos relativos, la temperatura afecta más al hormigón reforzado con fibras, pero en términos globales, las propiedades mecánicas y de fractura son mejores porque la porosidad total es menor y el daño térmico afecta especialmente a poros más pequeños. • El incremento de porosidad causado por el daño térmico mejora la ductilidad del hormigón reforzado con fibras. 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 BIA2016-75431-R. REFERENCIAS [1] Caggiano A, Cremona M, Faella C, Lima C, Martinelli E. Fracture behavior of concrete beams reinforced with mixed long/short steel fibers. Construction and Building Materials 2012;37:832–40. doi:10.1016/j.conbuildmat.2012.07.060. [2] Alonso MC, Vera-Agullo J, Guerreiro L, Flor- Laguna V, Sanchez M, Collares-Pereira M. 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