mÓdulo de ruptura en vigas de concreto ......la fibra de vidrio, al ser lisa, y por la forma en que...

Ciudad de México a 5 de septiembre del 2018.

Quimicontech S.A. de C.V. Apodaca, NL. I TEL: (81) 81903132 I [email protected]

Ciudad de México a 21 de noviembre del 2018.

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MÓDULO DE RUPTURA EN VIGAS DE CONCRETO

ADICIONADAS CON MACROFIBRAS




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MÓDULO DE RUPTURA EN VIGAS DE CONCRETO

ADICIONADAS CON MACROFIBRAS INTRODUCCIÓN La utilización de la fibra de vidrio, como un agregado que refuerza la mezcla de concreto, en particular para elementos de fachada, ha sido un componente ampliamente utilizado durante más de sesenta años por multitud de fabricantes de elementos prefabricados. El comportamiento mecánico de dichos elementos ha sido ampliamente estudiado por organizaciones reconocidas internacionalmente. Hummer Plastics, S. A. de C. V., productor de Macrofibras de Polipropileno de la más alta calidad, en la búsqueda de concientizar a la Industria de Prefabricados de Concreto, de las ventajas, tanto técnicas como económicas de la sustitución de la fibra de vidrio por macrofibra de polipropileno, realiza un primer acercamiento al estudio de los elementos de concreto adicionados con macrofibras de polipropileno, practicando ensayos a flexión a vigas de concreto de tres (3) días de edad en el laboratorio del Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto (IMCYC), dando como resultado este documento, siendo un respaldo técnico inicial que garantiza el funcionamiento del elemento al que se le han sustituido fibras de vidrio por macrofibras de polipropileno. OBJETIVO La norma ASTM C78-2014 describe detalladamente como realizar ensayos a vigas de concreto para obtener su Módulo de Ruptura (MOR). Mediante la aplicación de este procedimiento, se tiene el objetivo de sustentar el cambio de fibra de vidrio por macrofibra de polipropileno en vigas de concreto con agregados idénticos, así como sustentar el cambio de la combinación de arena sílica y fibra de vidrio por la combinación de arena caliza y macrofibra de polipropileno, ya sea de trece (13) milímetros o veintidós (22) milímetros de largo. La comparación de los resultados de los distintos Módulos de Ruptura (MOR) fortalece la viabilidad de la sustitución, alcanzando así el objetivo. HIPÓTESIS La fibra de vidrio, al ser lisa, y por la forma en que se “deshebra” en hilos tan delgados con espesores de unas cuantas micras, tiene la desventaja de no poseer un anclaje a la matriz del cemento o mezcla de concreto.




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Las macrofibras de polipropileno, utilizadas en las vigas que se ensayan, cuentan con un espesor de entre un cuarto (1/4) a un tercio (1/3) de milímetro, y una longitud de trece (13) milímetros o veintidós (22) milímetros; el grabado que las caracteriza les permite anclarse a la base cementosa del concreto, incrementado la resistencia que presentan a deslizarse al momento de la aplicación de una fuerza tractiva. La expectativa, de un resultado del Módulo de Ruptura (MOR) con un mejor desempeño mecánico de las macrofibras de polipropileno en comparación con la fibra de vidrio es un resultado lógico y esperado. Sin embargo, con base en la norma ASTM C78–2014 cualquier discrepancia menor al 16% es irrelevante. METODOLOGÍA Como se menciona en la introducción, se realizaron colados consistentes y similares para el logro de resultados comparables entre sí. Se hicieron cuatro (4) vigas de cada uno de los cinco (5) tipos de mezclas mostradas más adelante, utilizando los mismos moldes metálicos o cimbras de acero de quince (15) centímetros de base, por quince (15) centímetros de altura y por cincuenta (50) centímetros de longitud, cumpliendo las especificaciones de la Norma ASTM C78-2014 para especímenes de ensaye. Dos vigas de cada tipo se ensayarán a veintiocho (28) días, los Módulos de Ruptura que resulten se añadirán al presente estudio, las otras dos vigas de cada tipo de mezcla se ensayaron a tres (3) días de edad. El resultado del comportamiento de los elementos de concreto a temprana edad es información imprescindible para los fabricantes de prefabricados de concreto. La naturaleza misma de su operación en planta, no les permite descimbrados a largo plazo.

Vigas durante el fraguado en molde o cimbra de acero.




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Para la uniformidad de las mezclas de concreto, detalladas respectivamente más adelante para cada ensayo, se utilizaron las proporciones siguientes: Cemento/Arena sílica o caliza: Una parte de cemento por una parte de arena (1:1). Agua/Cemento: Una parte de agua por 2.56 partes de cemento (0.39:1) Fibra de Vidrio: 3.42 Kg, equivalente a 57.5 Kg por m3 de concreto. Fibra de Polipropileno 13 milímetros ó 22 milímetros: 1.76 Kg, equivalente a 28.94 Kg por m3 de concreto, es decir una proporción equivalente al 50% de la cantidad utilizada de fibra de vidrio.

Norma ASTM C78-2014

Para las pruebas, se utilizó el Método de Ensayo o Norma ASTM C78-2014, estándar de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (American Society for Testing and Materials, en Inglés) para pruebas de esfuerzo a flexión en vigas simples de concreto, con el fin de obtener el Módulo de Ruptura MOR. Dicho método conocido como el Ensayo de los Tres Puntos, considera el arreglo tal como se muestra en la siguiente figura:

Con este tipo de ensayo la formulación para el cálculo del MOR es como sigue:

δ = F L / bd2 Donde:

δ (sigma) es el Módulo de Ruptura por flexión MOR. F es la Fuerza Máxima aplicada al ensayo. L es la distancia entre los apoyos inferiores del prisma rectangular a ser ensayado en posición horizontal, 45 centímentros en nuestras vigas a ensayar. b es la base de la viga a ser ensayada (posición horizontal), 15 centímetros. d es la altura del prisma rectangular a ser ensayado (posición horizontal) 15 cms., y que corresponde a un tercio (1/3) de la longitud L de 45 centímetros.

Fuerza = F




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Antes de cada ensayo, se procedió a revisar cada una de la vigas, rebajando aristas filosas y comprobando la consistencia de las dimensiones apegadas al estándar. El equipo para ensayo que se utilizó, marca AMSLER modelo FM-1033, serie 135, con certificado de calibración del 26 de febrero del 2018, cuenta con dos soportes con resortes, que mantienen la fuerza al centro verticalmente, evitando deslizamientos del especimen, atendiendo así las recomendaciones del mismo estándar. Todas la piezas se sometieron a proceso de curado con agua, ensayándose después de retirarse de la tina de curado. En todas las vigas se respetaron las dosificaciónes de agregados, con las variantes en tipo de arena y/o tipo de macrofibra. ENSAYOS Vigas # 3 (IMCYC # 460B/1 y 460B/2) Cemento CPC 40 (Cemex) 54.70 Kg Arena Sílica Fina 27.36 Kg Arena Sílica Gruesa 27.36 Kg Macrofibra 0.00 Kg Aditivo M-38 (Cemex) 0.040 ml Agua 21.00 – 21.50 lt Relación Arena/Cemento 1 : 1 Relación Agua/Cemento 0.39

Vigas con Arena Sílica sin macrofibras.




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Trazado de la Viga a Ensayar Viga con Arena Sílica sin macrofibras previo al ensayo Resultados: # 460B/1 # 460B/2 b = 15.0 cm 15.1 cm d = 15.0 cm 15.0 cm F = 4,280 Kg 4,820 Kg MOR = 57.1 Kg/cm2 MOR = 63.8 Kg/cm2 Promedio = 60.45 Kg/cm2

Viga ensayada con Arena Sílica sin macrofibras




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Vigas # 4 (IMCYC # 460C/1 y 460C/2) Cemento CPC 40 (Cemex) 54.70 Kg Arena Caliza 57.44 Kg (+3% por humedad de la arena) Macrofibra 0.00 Kg Aditivo M-38 (Cemex) 0.040 ml Agua 21.00 – 21.50 lt Relación Arena/Cemento 1 : 1 Relación Agua/Cemento 0.39

Trazado de la Viga a Ensayar Resultados: # 460C/1 # 460C/2 b = 15.0 cm 15.0 cm d = 15.0 cm 15.1 cm F = 4,660 Kg 5,000 Kg MOR = 62.1 Kg/cm2 MOR = 65.8 Kg/cm2 Promedio = 63.95 Kg/cm2




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Viga ensayada con Arena Caliza sin macrofibras Vigas # 1 (IMCYC # 460/1 y 460/2) Cemento CPC 40 (Cemex) 54.70 Kg Arena Sílica Fina 27.36 Kg Arena Sílica Gruesa 27.36 Kg Fibra de Vidrio NRF NEG 3.42 Kg (equivale a 57.5 Kg/m3) Aditivo M-38 (Cemex) 0.040 ml Agua 21.00 – 21.50 lt Relación Arena/Cemento 1 : 1 Relación Agua/Cemento 0.39

Vigas en posición antes del ensayo.




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Resultados: # 460/1 # 460/2 b = 15.0 cm 15.0 cm d = 15.0 cm 15.0 cm F = 5,240 Kg 5,600 Kg MOR = 70.0 Kg/cm2 MOR = 75.0 Kg/cm2 Promedio = 72.5 Kg/cm2

Viga ensayada con fibra de vidrio.

Vigas # 2 (IMCYC # 460A/1 y 460A/2) Cemento CPC 40 (Cemex) 54.70 Kg Arena Sílica Fina 27.36 Kg Arena Sílica Gruesa 27.36 Kg Macrofibra Polipropileno 13 mm 1.76 Kg (equivale a 28.94 Kg/m3) Aditivo M-38 (Cemex) 0.040 ml Agua 21.00 – 21.50 lt Relación Arena/Cemento 1 : 1 Relación Agua/Cemento 0.39




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Trazado de la Viga de Ensaye Preparación de Ensayo con con macrofibra de PP 13 mm. macrofibra de PP 13 mm. Resultados: # 460A/1 # 460A/2 b = 15.0 cm 15.0 cm d = 15.0 cm 15.0 cm F = 5,100 Kg 4,980 Kg MOR = 68.0 Kg/cm2 MOR = 66.4 Kg/cm2 Promedio = 67.2 Kg/cm2

Viga ensayada con Arena Sílica con macrofibra 13 mm.




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Vigas # 5 (IMCYC # 460D/1 y 460D/2) Cemento CPC 40 (Cemex) 54.70 Kg Arena Caliza 57.44 Kg (+3% por humedad de la arena) Macrofibra Polipropileno 22mm 1.76 Kg (equivale a 28.94 Kg/m3) Aditivo M-38 (Cemex) 0.040 ml Agua 21.00 – 21.50 lt Relación Arena/Cemento 1 : 1 Relación Agua/Cemento 0.39

Viga en posición antes del ensayo.

Resultados: # 460D/1 # 460D/2 b = 15.0 cm 15.0 cm d = 15.0 cm 15.0 cm F = 5,300 Kg 5,960 Kg MOR = 70.7 Kg/cm2 MOR = 79.5 Kg/cm2 Promedio = 75.1 Kg/cm2




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Comienza la falla durante el ensayo. Separación completa

(véanse la fibras de PP)

Viga ensayada con Arena Caliza + macrofibra de polipropileno




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Registro del ensayo en laboratorio del IMCYC Durante el ensayo de las vigas con fibra de vidrio, al momento de presentarse la fractura, la separación de las partes es casi inmediata, mostrando un comportamiento bastante similar al de las vigas sin fibras o macrofibras añadidas, a diferencia de los ensayos en vigas conteniendo macrofibra de polipropileno en que fue necesario continuar aplicando fuerza para la separación completa de ambas partes.

RESULTADOS




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Rótulación

de Agregados MOR

Vigas. Principales (acrónimo) Kg/cm2

#460B/1 y /2 Arena Sílica sin macrofibra AS s/m 60.45

#460C/1 y /2 Arena Caliza sin macrofibra AC s/m 63.95

#460/1 y /2 Arena Sílica + Fibra de Vidrio AS+ F Vidrio 72.5

#460A/1 y /2 Arena Sílica + macrofibra de PP 13 mm AS + FPP 13 67.2

#460D/1 y /2 Arena Caliza + macrofibra de PP 22 mm AC+ FPP 22 75.1

ANÁLISIS DE RESULTADOS. La relación entre los Módulos de Resistencia obtenidos de los ensayos descritos arriba, son los siguientes: Arena Sílica + Macrofibra de PP 13 mm / Arena Sílica sin macrofibras = 11.16 % Arena Caliza + Macrofibra de PP 22 mm / Arena Sïlica sin macrofibras = 24.23 % Arena Caliza + Macrofibra de PP 22 mm / Arena Caliza sin macrofibras = 17.43 % Arena Sílica + Macrofibra de PP 13 mm / Arena Sílica + Fibra de Vidrio = - 7.31 % Arena Caliza + Macrofibra de PP 22 mm / Arena Sílica + Fibra de Vidrio = 3.58 % La Norma ASTM C78-2014 describe específicamente que, para ensayos de mismos lotes, llevados a cabo por un mismo laboratorio, los valores del MOR, entre unos y otros ensayos, se consideran equivalentes si la diferencia entre ellos es menor al 16%. Así, los ensayos a vigas aquí mostrados con arena sílica o arena caliza, ya sean, con fibra de vidrio, o con macrofibra de polipropileno presentan niveles de MOR muy similares, con diferencias menores al 8%, lo que comparativamente, a la luz de la Norma ASTM C78 -2014, se consideran iguales. CONCLUSIONES

0

20

40

60

80

AS s/m AC s/m AS + F Vidrio AS + FPP 13 AC+ FPP 22

Módulo de Ruptura MOR




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1) Se fortalece nuestra hipótesis de un mejor desempeño mecánico de las vigas

de concreto con macrofibra de polipropileno, resultando un 20% mayor, en promedio, en comparación con vigas sin contenido de fibra o macrofibra.

2) No existe una diferencia notable para el comportamiento del Módulo de Ruptura

en los ensayos a vigas estandarizadas cuando se utiliza ya sea arena sílica o arena caliza en su composición.

3) Dada la norma ASTM C78-2014, no existen diferencias en el Módulo de Ruptura de concreto adicionado con fibra de vidrio o con macrofibra de polipropileno.

4) Se aprecia que en las vigas ensayadas con macrofibras de polipropileno ya sean de 13 milímetros o 22 milímetros, no se presentó falla súbita ni explosión del elemento. Lo que genera un beneficio en seguridad estructural de los elementos reforzados con las mismas, a diferencia del concreto reforzado con fibra de vidrio y concreto simple, en los cuales sí aparece falla súbita.

La cantidad, tanto de macrofibra de polipropileno de 13 milímetros, como de macrofibra de 22 milímetros, utilizada en las vigas ensayadas descritas aquí, corresponde al 50% de la cantidad en peso de la fibra de vidrio utilizada en las vigas ensayadas contra las que se compara. El Anexo A muestra un comparativo económico de un concreto con arena sílica y fibra de vidrio añadida (GFRC)* contra un concreto símilar con arena caliza y macrofibra de polipropileno añadida (PPFRC)*. En el Anexo B se muestra el informe del IMCYC de las pruebas de laboratorio, soporte de este informe. Hummer Plastics, S. A. de C. V., realiza estudios a fin de promover las ventajas en el uso de la macrofibra de polipropileno.

ELABORACIÓN:

ING. ALBERTO JOSÉ GÓMEZ BUSTO GERENCIA TÉCNICA

REVISIÓN:

ING. JOSÉ JAVIER BUSTO ROJAS DIRECCIÓN GENERAL

*Del Inglés: Glass Fiber Reinforced Concrete GFRC y Polypropylene Fiber Reinforced Concrete PPFRC.

ANEXO A

GFRC vs PPFRC




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Comparación económica de un concreto con arena sílica y fibra de vidrio GFRC contra

un concreto con arena caliza y macrofibra de polipropileno PPFRC.

TABLA 1.2

Kg Kg/m3

Costo Unitario

USD Costo/m3

Cemento 50 915 $ 0.13 $ 121.42

Arena Caliza 50 915 $ 0.02 $ 21.05

Macrofibra SS 13mm / 22mm 1 19.0 $ 7.96 $ 151.24

Aditivo 120 ml 2.2 $ 2.97 $ 6.54

Agua (litros) 18.00 329 $ 0.05 $ 17.46

2180 $ 317.70

Relación Arena/Cemento 1.00

Relación Agua/Cemento 0.36

Relación FPP/Cemento 2.1%

f´c aproximada: 400 Kg/cm2

TABLA 1.0

Kg Kg/m3

Costo

Unitario USD Costo/m3

Cemento 50 936 $ 0.13 $ 124.18

Arena Sílica 50 936 $ 0.19 $ 173.85

Fibra de Vidrio GF 2.5 47 $ 4.83 $ 226.00

Aditivo 120 ml 2.2 $ 2.97 $ 6.54

Agua (litros) 17.75 332 $ 0.05 $ 17.63

2253 $ 548.20

Relación Arena/Cemento 1.00

Relación Agua/Cemento 0.36

Relación GF/Cemento 5.0%

f´c aproximada: 400 Kg/cm2




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La sustitución de Arena Sílica con Fibra de Vidrio (Tabla 1.0) por Arena Caliza con

Macrofibra de Polipropileno (Tabla 1.2), representa un ahorro total de 42%

$548 USD m3

$317 USD m3

CEMENTO

ARENA

FIBRA

ADITIVO y AGUA

GFRC PP-FRC

VIDRIO MACROFIBRA

Comparación gráfica de las tablas: Tabla 1.0 vs Tabla 1.2

AGREGADOS

mÓdulo de ruptura en vigas de concreto ......la fibra de vidrio, al ser lisa, y por la forma en que...

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