<< Volver atrás

Tesis:

Resistencia a impacto de morteros de cemento reforzados con fibra de vidrio (GRC)

  • Autor: ENFEDAQUE DIAZ, Alejandro

  • Título: Resistencia a impacto de morteros de cemento reforzados con fibra de vidrio (GRC)

  • Fecha: 2008

  • Materia: Ciencia y tecnología de materiales

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/1338

  • Director/a 1º: SANCHEZ-GALVEZ, Vicente

  • Resumen: El origen y utilización de materiales con propiedades cementantes datan de los mismos orígenes de la civilización. Los egipcios fueron los primeros en usar materiales con propiedades hidraúlicas como el yeso; los romanos y los griegos usaban a su vez cenizas de origen volcánico mezcladas con cal consiguiendo un material de prestaciones mucho mejores. Fueron los romanos los primeros en usar de forma extensiva en sus construcciones mezclas hidraúlicas de materiales con propiedades cementantes. Como es bien conocido los compuestos de cemento son materiales frágiles y con una gran resistencia a compresión. Para conseguir un material con mejores propiedades mecánicas se desarrolló el hormigón armado, que es la unión de barras de acero embebidas en una masa de hormigón. Sin embargo, los problemas de corrosión en las armaduras que aparecen debido a los ataques químicos del ambiente, obligan a disponer capas de recubrimiento de varios centímetros de espesor obteniéndose elementos con muy buenas propiedades mecánicas, pero con un peso elevado. Por este motivo, bajo las experiencias previas basadas en compuestos de fibras de vidrio combinadas con matrices poliméricas, se desarrolló un nuevo tipo de material compuesto que unía las buenas propiedades a compresión de los morteros de cemento al notable comportamiento a tracción de las fibras de vidrio originando así el Glass Fiber Reinforced Cement (GRC). Este material tiene unas magnificas propiedades mecánicas puesto que aúna la resistencia a tracción de las fibras de vidrio y la magnífica resistencia a compresión del mortero de cemento. Sin embargo, el paso del tiempo afecta a las propiedades del GRC. El material se vuelve frágil, pierde su ductilidad y se puede considerar que tiene un comportamiento elástico y lineal hasta su rotura similar al del mortero de cemento sin fibras. Para reducir y evitar este envejecimiento se han usado tradicionalmente una serie de productos químicos que se han añadido a la formulación del material durante su fabricación. A este respecto, para la realización de esta Tesis Doctoral se han desarrollado trabajos experimentales que permiten evaluar la influencia de 5 tipos diferentes de adiciones en el comportamiento mecánico del GRC. Con este objetivo se realizaron diferentes tipos de ensayos mecánicos (tracción simple, flexión en 4 puntos) sobre GRC joven y sobre GRC envejecido de forma acelerada mediante inmersión en agua caliente. La edad equivalente de las muestras ensayadas superó los 30 años de vida del material. Se ha realizado un estudio mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) de las superficies de fractura del material ensayado a tracción en busca de las causas de la reducción de las propiedades mecánicas del GRC. A pesar de la gran cantidad de investigaciones que han estudiado las propiedades mecánicas del GRC, el comportamiento de este material frente a cargas dinámicas sigue sin estar caracterizado. Así pues, se ha puesto notable énfasis en el estudio y análisis de las propiedades dinámicas del GRC mediante la realización de ensayos mecánicos a altas y medias velocidades de deformación. Para el estudio de las propiedades del GRC a velocidades de deformación medias se realizaron ensayos sobre placas de GRC en una torre de caída. El comportamiento del GRC sometido a altas velocidades de deformación se estudió mediante el lanzamiento de esferas de acero a altas velocidades sobre muestras de GRC de dimensiones reducidas. Se han realizado también simulaciones de los ensayos mecánicos realizados para estudiar con precisión cuales son los factores y parámetros que tienen influencia en el comportamiento del material. Se comprobó la capacidad de simular el envejecimiento del material variando las propiedades de los enlaces fibra-matriz. Además se estudió la influencia de las propiedades mecánicas del GRC en el comportamiento dinámico del mismo mediante la realización de simulaciones con Autodyn v6. Abstract The origin and use of cementitious materials dates from the civilization’s origin. Egyptians were the first people that used hydraulic materials as gypsium; Romans and Greeks used volcanic ashes mixed with lime that produced a much better material than gypsium. However, Romans were the first to use cementitious mixes in common buildings. As is well known cementitious mixes are brittle and have a high compressive strength. To get a material with better mechanical properties reinforced concrete was developed, it is a compound of steel bars inside a concrete bulk. However, corrosion in steel bars appear due the chemical attack from the environment, and to avoid this phenomenon steels bars should have a few centimeters of concrete covering them. By doing so, elements of great mechanical properties are obtained but these elements are also very heavy. To solve this problem glass fiber reinforced cement (GRC) was developed based in the previous works done with glass fibers and polymeric matrices. GRC has the great compressive strength of cement mortars and the tensile strength of the glass fibers. GRC’s superior mechanical properties are reduced with time. GRC becomes brittle, losses all ductility and its behavior can be considered as lineal and elastic up to failure. Aged GRC has the same behavior as cement mortar without any reinforcement. In order to reduce or avoid this harmful process, some chemical products have been added to the cement paste during GRC’s manufacturing. In this work, a wide experimental programme has been carried out to evaluate the influence of the 6 chemical products added in GRC’s mechanical properties. Pure tensile tests and 4 point bending tests have been done both in young GRC and in aged GRC (aged artificially by immersion in hot water tanks). GRC samples were aged up to a natural ageing process of 30 years. A wide and thoroughly study has been done in GRC fracture surfaces of tensile tested samples using an Scanning Electronic Microscope (SEM) searching the causes of the fragilization of GRC with time. GRC dynamic behavior and properties have been widely studied by doing medium and high strain rate tests. Medium strain rate tests were carried out in a drop machine on GRC plates. GRC’s ballistic behavior was studied shooting steel spheres into GRC samples. Numerical simulations of the different tests were performed to analyze which GRC’s mechanical properties have influence in the behavior of the material during the tests. GRC ageing was simulated by changing the characteristics of the fiber-matrix interface. Dynamic simulations were carried out in Autodyn v6 in order to check which GRC’s properties had influence in GRC’s dynamic behavior.