envejecimiento y perdida de propiedades en los morteros de

ENVEJECIMIENTO Y PERDIDA DE PROPIEDADES EN LOS MORTEROS DE CEMENTO REFORZADOSCON FIBRA DE VIDRIO (GRC)

A. Enfedaque1, D. Cendon1, F. Galvez1, V. Sanchez-Galvez1

1Departamento de Ciencia de Materiales, E.T.S. de Ingenieros de Caminos,Canales y Puertos, Universidad Politecnica de Madrid, C/ Profesor Aranguren s/n,

28040 Madrid, Espana.E-mail: [email protected]

RESUMEN

El uso y las aplicaciones del GRC (glass fiber reinforced cement) en infraestructuras, edificios y en el resto de aplicacionestıpicas de la industria de la construccion se han limitado a usos no estructurales debido a la perdida de propiedades quesufre el material con el paso del tiempo. Para luchar contra esta perdida de propiedades tradicionalmente se han anadidoproductos quımicos al mortero de cemento con escasos resultados.

Se han fabricado paneles de GRC con humo de sılice, metacaolın y resinas acrılicas en diferentes proporciones. Sehan realizado ensayos de traccion, tanto en material joven (ensayos a 28 dıas) como en material envejecido medianteinmersion en agua caliente durante 40, 80 y 120 dıas. En los ensayos se ha comprobado que la adicion de metacaolınmejora ligeramente las propiedades del GRC a medio plazo. El material tuvo un comportamiento fragil a mayor edad.

ABSTRACT

The use and applications of glass fiber reiforced cement (GRC) in civil engineering, architectural uses and in the restof the building industry applications have been limited to elements that do not withstand loads due to the severe loss ofmechanical properties that GRC suffers with aging. Chemical products added to the cement mortar paste have been usedto solve this aging problem, but hardly any promising result have been obtained.

GRC panels have been produced using silica fume, metakaolin and acrylic resins with different contents. A program oftensile tests have been carried out on both young (cured 28 days) and artificially aged GRC by immersion in hot water for40, 80 and 120 days. Test results showed how metakaolin added to the cement mortar paste improves GRC’s mechanicalproperties when the material is middle aged. Older GRC showed a brittle behavior for all the formulations tested.

AREAS TEMATICAS PROPUESTAS: Tecnicas Experimentales.

PALABRAS CLAVE: GRC, envejecimiento, fragilizacion

1. INTRODUCCION

El glass fibre reinforced cement (GRC) es un materialde construccion que esta formado por la union de dosmateriales con propiedades muy diferentes: mortero decemento y fibras de vidrio cortas proyectadas, de formaaleatoria en dos dimensiones, junto con el mortero [1].Las propiedades mecanicas del mortero de cemento secaracterizan por su alta resistencia a compresion y porsu baja resistencia a traccion ası como por su baja duc-tilidad [2]. La mayor virtud de las fibras de vidrio es sualto modulo de elasticidad junto a su gran resistencia atraccion. Ası pues mediante la fabricacion de un materialcompuesto surgido de la union de ambos se tiene un ma-terial resistente a compresion, propiedad que da el mor-tero de cemento, y con una resistencia a traccion y duc-tilidad mucho mas alta de lo que tenıa el mortero solo,lo que se debe a las propiedades de las fibras de vidriocortas introducidas.

El material compuesto obtenido se caracteriza por susbuenas propiedades mecanicas y por no necesitar arma-duras. Este material tiene una versatilidad de diseno enor-me ya que se pueden lograr elementos con casi cualquierforma con espesores de alrededor de 10 mm.

El empleo de este material en edificacion y obra civil seha restringido a su aplicacion como elemento no portanteen cerramiento de fachadas, como encofrado perdido, enrevestimiento de tuneles, como barreras acusticas etcete-ra [3]. Se ha comenzado a utilizar formando elementosestructurales en forjados prefabricados en edificacion, encubiertas de edificios industriales ([4], [5]) al igual quejunto a otros materiales como los tendones de carbono ylas armaduras de acero en torres de comunicacion [6].

Sin embargo, las propiedades mecanicas del GRC se de-terioran con el paso del tiempo, se produce una graveperdida de ductilidad, acompanada por una perdida de

Anales de Mecánica de la Fractura 26, Vol. 2 (2009)

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resistencia a traccion ([7], [8], [9], [10]). Para solucionareste problema se llevo a cabo el desarrollo de fibras devidrio realizadas con formulaciones resistentes a la co-rrosion alcalina, estas fibras fueron denominadas fibrasde vidrio AR (Alcali Resistant). A pesar de esto, los efec-tos perniciosos del paso del tiempo en el comportamientodel compuesto siguieron presentandose. Estos problemasse han intentado solucionar mediante la adicion de pro-ductos quımicos a la pasta de cemento. Los aditivos mascomumente utilizados han sido el humo de sılice [11], elmetacaolin ([11], [12]), las cenizas volantes [13], y lasresinas acrılicas [14].

Los resultados que se obtuvieron mostraban grandes dis-persiones en funcion de las adiciones empleadas y lasproporciones en las que estas se incluıan en las formula-ciones. Se ha realizado una campana de ensayos de trac-cion sobre GRC fabricado sin adiciones y con humo desılice, metacaolın y resinas acrılicas para comprobar lainfluencia de estos aditivos tanto en el material joven co-mo en el material envejecido.

2. PROGRAMA EXPERIMENTAL

2.1. Fabricacion del GRC y evejecimiento acelerado

Para estudiar el comportamiento del GRC envejecido seha realizado una campana de ensayos de traccion conGRC realizado con cinco formulaciones de cemento enla que se han incluido tres adiciones. Las adiciones quese han empleado son: humo de sılice, metacaolın y resi-nas acrılicas. Las cantidades que se han empleado son lasque aparecen en la tabla 1.

Tabla 1: Formulaciones de mortero de cemento emplea-das en kg.

Cemento Arena Agua AdicionControl 50 50 21 ——–H. sılice 50 50 27 5H. sılice 50 50 33 10Metacaolın 50 50 26 5R. acrılicas 50 50 22 2

El metodo que se uso en la fabricacion de las placas deGRC fue la proyeccion conjunta del mortero de cemen-to y las fibras de vidrio. Los dos materiales se proyectanpor conductos diferentes y se unen en el molde que sirvecomo encofrado. Una vez proyectado el GRC en el mol-de, se realiza, mediante un proceso totalmente manual,el enrasado e igualacion de la superficie del material queesta en contacto con el aire. Una vez enrasado, se dejafraguar el GRC al aire libre. El espesor de la placa deGRC que se obtiene cambia en cada punto de la placa de-bido a que el proceso de enrasado es totalmente manual.Estas diferencias de espesor pueden llegar a ser de variosmilımetros dentro de la misma placa.

Se realizaron una serie de 10 paneles de 1.2x1.2 m ycon un espesor nominal de 10 mm. De estos paneles se

desecho un marco de 5 cm alrededor del contorno paraevitar las condiciones de contorno que surgen en la fa-bricacion de los mismos. Una vez eliminada esta parte serealizo el corte de las probetas para los ensayos. Para rea-lizar los ensayos las probetas fueron, como se indico an-teriormente, cortadas con forma rectangular y con unasdimensiones de 300x50 mm.

Los ensayos se han realizado a 28 dıas y a 40, 80 y a 120dıas de envejecimiento acelerado mediante inmersion enagua caliente a 50oC. Las teorıas que versan sobre el en-vejecimiento acelerado tienen su base en las investiga-ciones realizadas en los anos 80 con GRC fabricado conmortero de cemento sin adiciones [15]. En estos trabajosse establecıa una equivalencia entre el tiempo de inmer-sion del GRC en agua calentada a una cierta temperaturacon el tiempo de exposicion natural de compuesto. En latabla 2 se pueden ver los factores de aceleracion halladosen este trabajo.

Tabla 2: Equivalencia envejecimiento acelerado.

1 dıa a... Dıas de exposicion en RU80 oC → 167270 oC → 69360 oC → 27250 oC → 101

Recientemente, algunos autores han cuestionado la vali-dez de los factores de aceleracion hallados en este trabajopara GRC fabricado con adiciones [16]. Dichos autoreshallaron a su vez otros factores de aceleracion, los cualesse muestran en la tabla 3 para agua a 50oC.

Tabla 3: Equivalencia entre un dıa en agua a 50 oC y eltiempo de exposicion natural en el Reino Unido.

Factores de aceleracionControl 31Metacaolın 8Resinas acrılicas 16Humo de sılice sin datos

Se eligieron 40, 80 y 120 dıas de inmersion debido a quedespues de estos perıodos ya se podıa observar con cla-ridad el efecto del paso del tiempo en el comportamientomecanico del GRC. No se pudieron aplicar de manera di-recta los factores de aceleracion de envejecimiento que sehan mostrado en la tabla 3 debido a las diferencias exis-tentes en las proporciones de adiciones empleadas en lafabricacion de las placas de GRC.

2.2. Ensayos de traccion

Despues del envejecimiento mediante inmersion en aguacaliente las probetas se almacenaron en una camaraclimatica a 20 oC y al 98 % de humedad. El ensayo de


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traccion simple se realizo en un maquina Instron 8501 lacual tenıa montada una celula de carga de 2.5 toneladasy que sujetaba la probeta con unas mordazas mecanicas.La instrumentacion del ensayo se compone de dos ex-tensometros dispuestos a los lados de las probetas. Estostienen una distancia entre cuchillas mayor de lo habitualpara aumentar las posibilidades de que la fractura se en-cuentre en esta zona y por tanto de poder recoger datosde como se produce la misma

Los ensayos se han realizado con control de desplaza-miento fijando una velocidad de desplazamiento entre lasmordazas de 1 mm/minuto. En la figura 1 se puede verla disposicion de la maquina de ensayos empleada en lainvestgacion

Figura 1: Esquema ensayo traccion

Los ensayos se han realizado hasta la rotura total de lasprobetas, hasta que las mismas se han separado en dostrozos diferenciados y sin fibras puenteandolos.

3. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS

Los resultados que se han obtenido en los ensayos de trac-cion de probetas de GRC ensayadas a traccion, tanto delmaterial joven como el envejecido, se muestran en las fi-guras 2, 3, 4, 5 y 6. El comportamiento del material des-pues de 40 dıas de envejecimiento fue notablemente masfragil que el del GRC joven . La ductilidad del compuestose redujo en todas las formulaciones. Las variaciones delas mismas son de alrededor del 70 % sobre la ductilidaddel compuesto joven.

En todas las formulaciones se reduce la longitud de la ra-ma pseudo-plastica de comportamiento y por tanto tam-bien la resistencia a traccion del compuesto. Esto no ocu-rre para la formulacion de GRC fabricada con resinasacrılicas. En esta se produjo una reduccion drastica dela ductilidad pero no estuvo acompanada por una bajadade la resistencia a traccion debido a que la pendiente dela rama pseudo-plastica es cercana a cero.

Figura 2: Ensayo traccion sobre GRC sin adiciones.

Figura 3: Ensayo traccion sobre GRC con un 10 % dehumo de sılice.

El comportamiento de las probetas despues de 80 dıasde envejecimiento se caracterizo por ser elastica y linealhasta rotura. El comportamiento de las muestras fue to-talmente fragil en todas las formulaciones. Continuo portanto el proceso de envejecimiento. El comportamien-to pseudo-plastico ha desaparecido por completo a estasedades. El comportamiento del material no difiere en granmedida del que tiene el mortero de cemento sin fibras devidrio.


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Figura 4: Ensayo traccion sobre GRC con un 20 % dehumo de sılice.

Los resultados que se obtuvieron en los ensayos de GRCenvejecido durante 120 dıas muestran una continuacionde la tendencia ya mostrada. Se sigue produciendo unaligera fragilizacion del compuesto y ademas los cambiosrespecto del comportamiento del GRC envejecido duran-te 80 dıas no son notables. El material tiene un compor-tamiento elastico y lineal hasta rotura y solo se produceuna pequena bajada de la resistencia maxima a traccion.El material despues de 80 dıas de envejecimiento mos-traba un comportamiento fragil y con perıodos de enveje-cimiento mayores no se producen cambios de comporta-miento.

Figura 5: Ensayo traccion sobre GRC con un 10 % demetacaolın.

Figura 6: Ensayo traccion sobre GRC con un 4 % de resi-nas acrılicas.

En algunos casos tambien se ha registrado un perdida deresistencia a traccion. Esto ocurrio en el GRC fabricadocon metacaolın y con resinas acrılicas.

Serıa de interes estudiar la influencia del metodo de enve-jecimiento en el comportamiento del GRC fabricado conresinas acrılicas ya que se detecto una gran dispersion enlos resultados obtenidos para todas de las edades ensaya-das.

A modo de resumen se ha realizado un grafico que mues-tra, en la figura 7 la deformacion maxima del GRC frenteal tiempo de envejecimiento. En esta figura se ve clara-mente como evoluciona la ductilidad del material a ten-sion maxima. La caıda de la ductilidad con el tiempo esconstante y sostenida pasando de ser un material con unacierta ductilidad a un material completamente fragil tras80 dıas de envejecimiento mediante inmersion en aguacaliente. La unica formulacion que mantiene un poco masla ductilidad frente al tiempo es la fabricada con un 10 %de metacaolın.


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Figura 7: Ductilidad de rotura del GRC en funcion deltiempo de envejecido.

4. CONCLUSIONES

Las conclusiones mas importantes que se han extraıdo deeste trabajo son:

Se produce una fragilizacion del material para todas lasformulaciones estudiadas.

La adicion de metacaolın conserva moderadamente laductilidad del compuesto a medio plazo.

Despues de 80 dıas de envejecimiento el GRC es un ma-terial elastico y lineal hasta rotura para cualquier formu-lacion.

La mayor degradacion del compuesto se produce en losprimeros 11 anos de vida del material.

5. TRABAJO FUTURO

El trabajo futuro que se va a realizar para profundizar enlas incognitas pendientes incluye:

Realizar ensayos de extraccion de fibras de vidrio en elGRC, tanto en material joven como envejecido.

Estudiar diferentes sistemas de envejecimiento acelerado.

Estudio de posibles sistemas de auscultacion que permi-tan predecir las zonas mas debiles del material.

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