• Author / Uploaded
• Luu Nuñez

Citation preview

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y MECÁNICAS DE LAS FIBRAS

NOHEMI GUADALUPE MONTIEL NUÑEZ

INSTUITUTO TECNOLOGICO DE APIZACO INGENIERIA CIVIL

1

INDICE 1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. DEFINICIÓN DE FIBRAS 4. CLASIFICACIÓN DE FIBRAS 5. CARACTERISTICAS FISICO QUIMICAS 6. CARACTERISTICAS MECANICAS 7. PROPIEDADES FISICAS 8. PROPIEDADES MECANICAS 9. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE FIBRAS 10. CONCLUSIÓN 11. BIBLIOGRAFIA

OBJETIVO Determinar las propiedades y características físicas, químicas y mecánicas de las fibras. INTRODUCCION México es un país que posee abundante producción de fibras naturales sobre todo las de la familia del agave. El concreto es un material que ha permitido hacer numerosas investigaciones y ha tolerado utilizar más materiales para mejoran sus propiedades físicas y mecánicas,

2

uno de los componentes que ha revolucionado la calidad del concreto son las familias de las fibras como un elemento adicional en el concreto. Existen diferentes tipos de fibras en general, como son las macrofibras y microfibras de ahí provienen los tipos de fibras como son nylon, aramidas, acrílicas, vidrio , acero y las naturales; cada una de las fibras contiene sus propiedades físicas y mecánicas como son la resistencia y tenacidad que proporcionan al concreto una mejor rendimiento en cuanto a su colocación en construcciones. Pero no solo existen grandes ventajas si no, debido al material que se utiliza se puede obtener desventajas, si no se realiza el análisis correcto. Dependiendo del análisis que se tenga es la fibra que se añadirá en el concreto. A continuación analizaremos el tema de fibras definiendo cada una de ellas.

DEFINICION DE FIBRAS El concreto contiene numerosas microgrietas. La rápida propagación de la microgrietas bajo un esfuerzo aplicado, es la responsable de la baja resistencia del concreto a la tensión del material. Inicialmente, se suponía que la resistencia a la tensión, igual que a la flexión del concreto, podían incrementarse sustancialmente introduciendo fibras cercanamente espaciadas que obstruirían la propagación de las microgrietas, retrasando asi el inicio de las grietas pos tensión, e incrementando la resistencia a la tensión del material. La debilidad en tensión puede ser superada por el uso de refuerzo convencional de varilla y, en cierta medida, por la inclusión de un volumen suficiente de ciertas fibras.

3

Los beneficios de la fibra en el concreto son: - Mejorar la cohesión de la mezcla - Mejorar la resistencia a ciclos de congelación-deshielo - Mejorar la resistencia a explosiones en caso de un gran incendio - Mejoran la resistencia al impacto - Aumentar la resistencia a la reducción plástica. Actualmente, las fibras de acero, de vidrio y, más recientemente, las de polipropileno, son alternativas viables para reforzar al concreto. Pero últimamente se han realizado estudios a otro grupo de fibras llamadas “naturales” para verificar si se obtenían los resultados que se tenían con las fibras de asbesto. Las fibras de acero, plástico, vidrio y materiales naturales podemos encontrarlas con diferentes características, como la forma; pueden ser cilíndricas, llanas, onduladas (rizadas) y deformadas con longitud típica de 60 mm a 150 mm y espesor variado de 0.005 mm a 0.075 mm. Los concretos convencionales y los que llevan un porcentaje de fibra funcionan de la misma manera, sólo existen algunas cosas que los diferencian: 1) El sistema convencional, el acero sólo se coloca donde el análisis lo determina necesario, en cambio las fibras se distribuyen de manera aleatoria en la sección transversal del concreto. 2) Las fibras son relativamente cortas y el espaciamiento es muy corto entre ellas, a diferencia de las barras de acero continuo que se utilizan en el sistema convencional. 3) Con el uso de fibras no es posible lograr la misma relación área de refuerzoárea de concreto si se compara con la red de refuerzo de barras. Las fibras se agregan al concreto en porcentajes pequeños, por lo general menos del 1%, y esto ha mostrado eficiencia en el control de la fisuración por contracción. La contracción natural del concreto no se altera considerablemente con la utilización

4

de las fibras pero si se usan cantidades adecuadas, sí es posible logra la reducción del agrietamiento y la disminución de las fisuras. La resistencia a tensión y la capacidad de deformación post-agrietamiento que exhibe el concreto reforzado con fibras de acero (CRFA), impulsan su uso en elementos controlados por deformaciones de cortante. Para desarrollar un diseño que promueva la utilización de Concreto reforzado con fibras de acero como refuerzo a cortante en muros de concreto para vivienda. Las fibras son filamentos obtenido por procedimiento químico o naturales que se ocupan en la construcción para poder brindar al concreto una mejor estabilidad y resistencia junto con sus moléculas. El concreto hecho con cemento Portland tiene ciertas características: es relativamente resistente en compresión pero débil en tensión y suele ser frágil. La debilidad en tensión puede ser superada por el uso de refuerzo convencional de varilla y, en cierta medida, por la inclusión de un volumen suficiente de ciertas fibras.

Microfibras Estas fibras están destinadas a evitar la fisuración del concreto en estado fresco. Son fibras de plástico, polipropileno, polietileno o nylon, que ayudan a reducir la segregación de la mezcla de concreto y previenen la formación de fisuras durante las primeras horas de la colocación del concreto o mientras la mezcla permanece en estado plástico. Los mejores resultados se obtienen con fibras multifilamento, cuyas longitudes oscilan entre los 12 y 75 mm y se dosifican en el concreto entre 0.6 kg/m3 y 1 kg/m3.

Macrofibras Son de materiales como acero, vidrio, sintéticos o naturales fique y otros, los cuales

5

se usan como refuerzo distribuido en todo el espesor del elemento y orientado en cualquier dirección. Las fibras actúan como la malla electrosoldada y las varillas de refuerzo, incrementando la tenacidad del concreto y agregando al material capacidad de carga posterior al agrietamiento. Otro beneficio del concreto reforzado con fibras es el incremento de resistencia al impacto, controlan la fisuración durante la vida útil del elemento y brindan mayor resistencia a la fatiga. Su diámetro oscila entre 0.25 mm y 1.5 mm, con longitudes variables entre 13 mm y 70 mm. la tenacidad, es la capacidad de absorción de energía de un material, que se refleja en el concreto una vez se han presentado fisuras, momento en que las fibras trabajan como refuerzo.

CLASIFICACION DE FIBRAS La durabilidad del concreto reforzado con fibras de acero depende de los mismos factores que un concreto convencional. Estas fibras están protegidas ante la alta corrosión y se puede aumentar su adherencia a la matriz por medio de la rugosidad que se les dé. Algunos de los usos de las fibras de acero en concretos son: pavimentos de aeropuertos, capas de revestimiento de las pista entre otras. FIBRAS DE VIDRIO. Debido a pruebas realizadas en las fibras se observo que la pasta de cemento reducía la resistencia de concreto.

6

Esto condujo a la fabricación de fibras resistentes a los álcalis del cemento, que aumentaron la resistencia a largo plazo pero se encontraron otros factores que disminuían la resistencia. Uno de esos factores es la rigidizacion de los filamentos por la infiltración de hidróxido de calcio (producto de la hidratación del cemento) entre las fibras. . · Cuando el álcali ataca las fibras de vidrio, se reduce la resistencia a la tracción (tensión) y, consecuentemente, la resistencia a la compresión también baja. La hidratación del cemento provoca la infiltración de hidróxido de calcio en la fibra, provocando con esto la adherencia a la matriz del concreto y la rigidizacion, que provoca la disminución a la tensión debido a que se inhibe el arrancamiento de la fibra

FIBRAS DE ACERO. Las fibras de acero son pedazos cortos y discontinuos de acero con aspecto y esbeltez entre 20 y 100 y con variadas secciones transversales. Las fibras de acero se pueden clasificas por su manufactura, según la norma de (ASTM) A 820 de la siguiente manera: Tipo 1.- Estas son fibras de alambre de acero conformado en frío y son las más fáciles de encontrar en el mercado. Tipo 2.- Estas son fibras cortadas de la chapa de acero.

7

Tipo 3.- Estas fibras son extraídas de la fundición. El metal se congela rápidamente y toma la forma de las fibras. Estas fibras tienen forma de medialuna. Tipo 4.- Otras fibras. Las fibras de acero se agregan en volúmenes que oscilan entre 0.25% y 2%, volúmenes mayores reducen la trabajabilidad y la dispersión de éstas en la mezcla. La adición de 1.5% de fibras de acero puede aumentar un 40% la resistencia a la tracción directa.

FIBRAS SINTÉTICAS. Estas fibras son producidas por el hombre. Algunos tipos de estas son: acrílicas, aramida , carbón, nylon, poliéster, polietileno y polipropileno. A diferencia de otras fibras, éstas poseen la cualidad de reducir la contracción plástica y, consecuentemente, la fisuración y pueden ayudar al concreto después de que se fisura. Algunos de los problemas asociados con las fibras sintéticas son: 1.- Baja adherencia fibra-matriz 2.- Pruebas de desempeño no concluyentes para volúmenes bajos de fibras de Polipropileno, polietileno, poliéster y nylon.

8

3.- Bajo módulo de elasticidad de las fibras de polipropileno y polietileno 4.- Alto costo de las fibras de carbón y de aramida. Las fibras sintéticas más usadas son las de polipropileno, que son químicamente inertes, hidrofóbicas y ligeras (livianas). Estas son monofilamentos cilíndricos que se pueden cortar en longitudes específicas. Además estas fibras pueden reducir el revenimiento y el asentamiento de las partículas de los agregados, y reducen el descascaramiento del concreto de alta resistencia y del concreto de baja permeabilidad expuestos al fuego y a un ambiente muy húmedo. LAS FIBRAS ACRÍLICAS Su uso mas común es la fabricación de tablones de cemento y tejas. El porcentaje de fibras es hasta de 3% para que se comporte como un compuesto de asbesto-cemento y es que las fibras acrílicas van a ser el sustituto de las fibras de asbesto. LAS FIBRAS DE ARAMIDA Son de las más resistentes que existen, especialmente a la tensión (tracción). Este tipo de fibras son 2.5 veces más resistentes que las de vidrio-E y 5 veces más resistentes que las de acero, además de que en altas temperaturas trabajan de manera excelente, retienen resistencia, tienen estabilidad dimensional resistencia a la fatiga estática, dinámica y resistencia a la fluencia. LAS FIBRAS DE CARBÓN Fueron desarrolladas principalmente por sus propiedades de alta resistencia y elasticidad y propiedades de rigidez para la aplicación en la industria aeroespacial. Estas fibras son de fabricacion muy costosa si se comparan con las otras fibras sintéticas y su desarrollo comercial es limitado. Las fibras de carbón son resistentes a casi la mayoría de químicos. LAS FIBRAS DE NYLON Sólo hay dos tipos de éstas para uso en concreto: las de

9

 

Nylon 6 Nylon 66.

Estas se tejen de polímetros de nylon y, por medio de extrusión, estiramiento y calentamiento, se transforman. Para usos en concreto, se tejen hilos de alta tenacidad o resistencia a la tensión. Las fibras presentan alta tenacidad, ductilidad y recuperación de la elasticidad. Suelen ser fibras hidrófilas, por lo que la cantidad de agua en el concreto debe incrementarse, sin embargo esto no afecta la hidratación y trabajabilidad del concreto. FIBRAS NATURALES Las fibras naturales, por lo general, se usan para concretos con bajo contenido de fibras. Las fibras naturales se dividen, a su vez, en procesadas y no procesadas. Los concretos fabricados con fibras naturales han presentado buenas propiedades mecánicas, pero tienen problemas de durabilidad. Se debe tomar en cuenta los siguientes aspectos para el uso efectivo de fibras en el concreto endurecido:  Las fibras deben ser más rígidas que la matriz, es decir, tienen un módulo de    

elasticidad más alto. El contenido de fibras por volumen debe ser adecuado. Debe haber una buena adherencia entre la fibra y la matriz. La longitud de las fibras debe ser suficiente. Las fibras deben tener una alta relación de aspecto; es decir, deben ser largas con relación a su diámetro. Algunas de las fibras naturales que se han utilizado son las del coco, sisal,

bambú, yute, madera y fibras vegetales estas fibras son típicamente llamadas fibras naturales no procesadas. Sin embargo, las fibras naturales pueden ser procesadas químicamente para mejorar sus propiedades. Las fibras de madera son obtienen mediante un proceso llamado reducción a pulpa. Uno de los procesos más usados en la extracción de fibras de celulosa

10

es el llamado “Kraft”. Las fibras de celulosa poseen buenas propiedades mecánicas. A continuacion se muestra una tabla que contiene diferentes tipos de fibra juntos con cada una de sus especificaciones.

CARACTERISTICAS FISICO QUIMICAS PROPILENO

11

Gravedad especifica: .91G/m3 Índice de fluidez .3g/seg Punto de fusión 166°C Punto de ignición 590°C Resistencia química a base de agentes oxidantes : Inerte* Resistencia química a los ácidos y álcalis: Inerte* Resistencia al moho y Microorganismos: Buena* * En conformidad con la norma ASTM C-1116 CARACTERISTICAS MECANICAS Módulo de elasticidad: 0.7 x 106 psi. Resistencia a la tensión: 80 K.S.I. Resistencia a la tracción: 70.000 psi. Elongación hasta el rompimiento: 8% mínimo Resistencia a la abrasión: Buena Conductividad térmica y Eléctrica: Baja • Cumple con las normas ASTM A820, Tipo II, para fibras cortadas y laminadas en frió. • Incrementa la resistencia al a flexión, ductilidad y tenacidad del hormigón, produciendo un aumento de la capacidad portante. • Logra alta resiliencia (capacidad de absorción de energía en el impacto) y resistencia al impacto para solicitaciones dinámicas. • Permite ahorros de material ya que las dimensiones de los elementos proyectados con el hormigón fibrado pueden disminuirse conservando las mismas propiedades. • En pisos industriales, en ambientes cerrados se reducen los periodos de construcción por la no necesidad de creación de juntas y la independencia de las condiciones climáticas. • Es compatible con todo tipo de cemento y mezclas de hormigón.

12

• Es compatible con todos los compuestos de curado, súper plastificantes, reductores de agua medios o altos, endurecedores y selladores. • Debido a las características isontropicas y a la repartición uniforme de fibras en toda la estructura, es ideal para cargas sin punto de aplicación definida.

PROPIEDADES FISICAS Resistencia de adherencia entre la fibra y la matriz 1. Las fibras se distribuyen aleatoriamente por toda la sección transversal, mientras que las barras de refuerzo o armadura se ponen sólo donde son necesarias. 2. La mayoría de las fibras son relativamente cortas y poco espaciadas si son comparadas a las barras continuas de refuerzo.

13

3. Generalmente no es posible lograrse la misma relación de área de refuerzo- área de concreto con el uso de fibras si es comparado a la red de refuerzo con barras. Las fibras se adicionan al concreto normalmente en bajos volúmenes (frecuentemente menos del 1%) y han mostrado eficiencia en el control de la fisuración por contracción (retracción). En general, las fibras no alteran considerablemente la contracción libre del concreto, pero, si son empleadas en cantidades adecuadas, pueden aumentar la resistencia al agrietamiento (fisuración) y disminuir la abertura de las fisuras. PROPIEDADES MECANICAS RESISTENCIA A LA FATIGA. El concreto reforzado con fibras metálicas asegura resistencia a un mayor número de repeticiones de carga, de 1.2 a 2 veces más de las que el concreto simple soporta. RESISTENCIA AL CORTANTE. Las fibras metálicas brindan resistencia al cortante. Por su capacidad de anclaje y resistencia, ofrecen transferencia de carga a través de las juntas de contracción, primordial cuando van a circular vehículos pesados o montacargas en lugares como centros comerciales. RESISTENCIA AL IMPACTO. Brinda al concreto un incremento de la resistencia al impacto que va de 15 a 100 veces más de lo que el concreto simple soporta. Tenacidad La tenacidad es la propiedad que tiene en cuenta de manera simultánea la capacidad de un material tanto para resistir una carga como para deformarse. Es una medida de absorción de energía que se expresa en unidades de fuerza por distancia (N x mm). Esta propiedad se determina en ensayos de flexión sobre vigas o placas donde se registran la carga y la deflexión. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE FIBRAS

14

Debido al mezclado, la distribución de las fibras en la sección transversal del concreto es aleatoria y no todas llegan a trabajar como refuerzo ante los esfuerzos de tensión provocados por las cargas. Aunque la orientación depende mucho del método de fabricación del concreto, ya que puede ser bidimensional (2-D) o tridimensional (3-D). El método de rociado promueve una orientación 2-D, mientras que el método de fabricación con mezcladora promueve la orientación en 3-D. Además, es común que las fibras atraviesen las fisuras con un ángulo que no favorece para evitar el agrietamiento, o su anclaje no es el suficiente para obtener la perfecta unión fibra-matriz. Debido a esto, el porcentaje de fibras que ayudan a absorber las tensiones de tracción (esfuerzos de tensión) es reducido. Por tales motivos, la eficiencia de un sistema con fibras no es tan eficiente, y se puede decir que un sistema así no mejora en gran medida la resistencia del compuesto. Los concretos con fibra son más adecuados para secciones delgadas de concreto, donde la armadura de refuerzo tiene una difícil colocación. Se puede reducir el peso usando secciones más delgadas de concreto reforzado con fibra que posea una resistencia equivalente a la de secciones más gruesas reforzadas con la armadura convencional. Estas son algunas de las ventajas en las propiedades del concreto con la dosificación de la fibra de vidrio: 

Las fibras de vidrio distribuyen a toda la masa del hormigón fuertes solicitaciones locales.



La presencia física de las fibras de vidrio inhibe el movimiento de la humedad en el concreto, durante y después de su colocación, obteniendo un concreto más homogéneo y en consecuencia, con una mayor resistencia media global.



Las fibras de vidrio mejoran la resistencia a los daños, particularmente durante la manipulación de componentes “jóvenes”.

15



Mejora la resistencia a la tracción / flexión, consiguiendo eliminar los refuerzos de acero en algunos elementos no estructurales.



Las fibras de vidrio disminuyen el agrietamiento del hormigón por contracciones plásticas. Las fibras de vidrio consiguen suprimir las grietas y fisuras por contracción plástica. Es lógico que las fibras de vidrio que tienen un módulo elástico aproximadamente 10 veces superior al polipropileno, sean más efectivas durante un mayor periodo de tiempo.

CONCLUSION Las fibras son materiales que se utilizan en el concreto para poder brindar mayor resistencia, existen distintos tipos de fibras en general las fibras se utilizan para evitar la fisuración en el concreto fresco, las fibras de carbón se desarrollaron para propiedades de alta resistencia y elasticidad lo que son la resistencia a la fatiga, cortante e impacto como por ejemplo en una losa se debe verificar el porcentaje de carga que va a tener y si es carga viva o carga muerta, dependiendo a ello se puede

16

obtener la fibra a utilizar y cual brinda mayor resistencia también se toman en cuenta los pisos de aeropuertos, centros comerciales etc. Las fibras se distribuyen aleatoriamente por toda la sección transversal, mientras que las barras de refuerzo o armadura se ponen sólo donde son necesarias.

BIBLIOGRAFIA 1. http://www.revistacyt.com.mx/images/problemas/2007/pdf/FEBRERO.pdf 2. http://www.nrmca.org/aboutconcrete/cips/cip24es.pdf http://www.ingenieria.unam.mx/~revistafi/ejemplares/V14N3/V14N3_art13.pdf 3. file:///C:/Users/servidor/Downloads/Concreto-reforzado-con-fibras.pdf 4. http://www.bdigital.unal.edu.co/9327/1/influencia%20de%20los%20componentes %20del%20concreto%20reforzado%20con%20fibras%20en%20sus %20propiedades%20mecanicas.pdf

17

5. http://www.bdigital.unal.edu.co/9327/1/influencia%20de%20los%20componentes %20del%20concreto%20reforzado%20con%20fibras%20en%20sus %20propiedades%20mecanicas.pdf 6. http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/32835/1/reyesbanuelos.pdf 7. http://www.imcyc.com/ct2008/feb08/materia.htm 8. http://www.bdigital.unal.edu.co/8213/1/luisoctaviogonzalezsalcedo.20124.pdf 9. http://www.imcyc.com/cyt/agosto03/metalicas.htm 10. http://www.journals.unam.mx/index.php/ingenieria/article/view/41966/38097 11. http://www.imcyc.com/cyt/junio02/fibra.htm 12. http://civilgeeks.com/2011/11/03/uso-de-fibras-en-el-concreto-introduccion/ 13. http://www.aprocons.org.py/doc/pavimento/manual_fibras.pdf 14. http://www.concretonline.com/pdf/00hormigon/art_tec/utilizacion_fibras_en_hormi gones.pdf 15. http://www.imcyc.com/ct2008/feb08/materia.htm 16. 17. http://www.ingenieria.unam.mx/~revistafi/ejemplares/V14N3/V14N3_art13.pdf 18. www.aprocons.org.py/doc/pavimento/manual_fibras.pdf