MATERIALES DE ULTIMA GENERACION Y MATERIALES EFICIENTES: HORMIGON REFORZADO CON FIBRAS DE ARAMIDA Alberto Moral Borque . arquitecto Máster Oficial en Proyecto de Arquitectura y Ciudad . ETSAG . UAH junio 2007

HORMIGON REFORZADO CON FIBRAS DE ARAMIDA 1. FIBRA DE ARAMIDA

Las fibras de aramida, o poliamida aromática, se fabrican cortando uns solución del polímero a través de una hiladora. Esto produce una fibra con una estabilidad térmica alta, una alta resistencia y una alta rigidez debido a uniones fuertemente organizadas del polímero semicristalino. Las cadenas poliméricas alineadas dan una resistencia y una rigidez más importante en la dirección longitudinal que en la transversal. Las fibras de aramida tienen un CET negativo en la dirección longitudinal y positivo en la radial. La fibra de aramida es fibrilar ( en forma de fibras) en su microestructura lo que le da propiedades de flexión y de compresión débiles. Las fibras son bastante duras y resistentes a tracción longitudinal. Además, son excelentes en resistencia a impacto balístico. Las temperaturas típicas de utilización para las fibras de aramida oscilan entre los -200ºC y los +200ºC, pero la oxidación limita su utilización por encima de los 150ºC. La exposición a la humedad facilita el comportamiento debido a la interacción del agua con las estructuras moleculares y cristalográficas de las fibras de aramida.

Como las radiaciones ultravioleta degradan las fibras de aramida, estas deben estar en una matriz protectora. Se podrían utilizar tratamientos de superficie para mejorar la adherencia entre las fibras y la matriz polimérica.

2. DESARROLLO DE LAS FIBRAS DE ARAMIDA A finales de los años 60, la empresa du Pont desarrolló una nueva clase de polímeros, poliamidas aromáticas para-orientadas (aramidas), que poseían internamente cadenas moleculares rigidas en una configuración extedida. Las poliamidas aromáticas no son adecuadas para hilados viscosos; sin embargo, bajo determinadas condiciones de concentración, disolvente, peso molecular y temperatura pueden llegar a formar soluciones líquido-cristalinas. Estas soluciones pueden fluir a través de un hilador consiguiendo un producto fibroso de muy alta orientación. De forma similar a las fibras de vidrio o carbono, la curva tensión-deformación de las aramidas es casi lineal hasta su rotura. Al menos tres fibras de aramida disponibles en el mercado (Kevlar49-DuPont, HM50-Teijin, Twaron-Teijin) han sido experimentadas para reforzar composites con matriz de cemento. Las propiedades relativas a la tensión de estas tres fibras se muestran en la Tabla-1. La combinación de baja densidad con alta resistencia y alto módulo elástico confiere a las fibras de aramida la mayor resistencia a tracción específica de cualquier material y un razonablemente alto módulo elástico incluso en comparación con la fibra de carbono. Las aramidas sometidas a tensión tienen una buena estabilidad dimensional, con deformación similar a la del acero después de un corto periodo inicial. Las deformaciones en Kevlar49 son menores al 20% de la deformación inicial elástica después de varios años de esfuerzo. Se ha observado que la deformación depende de la temperatura y esto podría ser significativo sólo para niveles de carga superiores al 70% del punto de rotura. A compresión, las aramidas son elásticas a baja deformación, pero llegan a ser perfectamente plásticas con altas deformaciones. El comienzo de la fase plástica durante la compresión surge por la cizalladura de las cadenas moleculares que conduce a la formación de plegados oblicuos dentro de la fibra. En comparación con las fibras de carbono, las aramidas sobreviven intactas curvándose al someterse a compresión. Este comportamiento es tecnológicamente importante porque facilita el proceso de tejido, trenzado y entrelazado. Las aramidas tienen comparativamente una alta estabilidad térmica, no funden, y solo se descomponen en el aire a temperaturas superiores a los 450ºC. La alta durabilidad de los hilos de Kevlar49 y de las hebras de Kevlar49/epoxy

sometidas a pruebas de alta temperatura para acelerar el colapso han indicado una vida teórica superior a los 100 años con esfuerzos entre el 50% y el 60% del máximo nominal. Desde su introducción comercial en 1972, las aramidas han sido empleadas en una gran variedad de aplicaciones, entre las que se incluyen: neumáticos, gomas, cuerdas y cables, balística, cintar y redes, plasticos reforzados, materiales para aviación y aeroespaciales, materiales deportivos, eléctricos y pultrusión.

3. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL HORMIGON REFORZADO CON FIBRAS Los hormigones reforzados con fibras presentan ciertas ventajas técnicas como material de armadura para el hormigón y como fibra corta proyectada. Entre los factores más ventajosos se pueden citar: a) No se oxidan: no son corrosivos. Todas las fibras son estables en ambientes carbonatados y las fibras de aramida y de carbono muestran buena resistencia a los ambientes ácidos y alcalinos. b) Son resistentes a los medios agresivos con presencia de iones de cloruro. c) Son insensibles a las corrientes electromagnéticas; aunque en menor grado las fibras de carbono. d) Tienen muy buena resistencia a tracción y bajo peso. Estas cualidades hacen de las fibras un sustituto ideal para la armadura convencional de acero siempre que el hormigón o la estructura esté expuesta a agentes corrosivos (medios marinos, gas carbónico, gases corrosivos, productos químicos) o que las armaduras no deban conducir ninguna carga eléctrica. No obstante tienen inconvenientes que pueden ser resumidos an los siguientes puntos: a) Costo demasiado elevado (de 2 a 30 veces el del acero). b) Módulo de elasticidad relativamente bajo, salvo para las fibras de carbono. c) Ausencia de deformación plástica. d) Alta resistencia axial frente a la resistencia a cortante. e) Degradación al contacto con rayos ultravioleta. f) Reacción de las fibras de vidrio con los álcalis. g) Falta de experiencia y dudas en la utilización de materiales no probados, h) Falta de conocimiento en la concepción y cálculo de estructuras de hormigón reforzadas con fibras.

4. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRA CORTA DE ARAMIDA El primer trabajo experimental usando fibras de aramida como refuerzo del hormigón se realizó a mitad de los años 70 del siglo XX: Walton y Majumdar 1978. Los filamentos de Kevlar49 se cortaron en pequeños trozos y se mezclaron con la matriz de cemento. Un sistema modificado de riego a presión permitió incluir en el composite un máximo del 2% por volumen de fibra, pero la dispersión de las fibras no fue completamente satisfactoria. Aún con estos probles de incorporación de las fibras, el módulo de ruptura del composite resultó entre 5,8 – 6,1 ksi (40 – 42 MPa), y la tensión última entre 2,0 – 2,3 ksi (14 – 16 MPa). La durabilidad y resistencia al fuego llegó hasta los 750ºF (400ºC), que resultó bastante satisfactorio. Un estudio posterior de Akihama y colaboradores, de 1986, fue realizado en Japón usando filamentos de HM50 cortados en longitudes de entre 1mm a 10mm (con un ratio proporcional de 80 a 800) y con un contenido de fibras por volumen de hasta el 3%. Se confirmó que las aramidas eran unas excelentes fibras de refuerzo para el hormigón, pero que previamente a su comercialización debían resolverse los problemas de mejora en el sistema de proyección e incorporación, así como el la determinación de la longitud de fibra óptima. En 1988 Gale y colaboradores realizaron pruebas combinando fibras cortas de aramida con nueva pulpa de aramida en una proporción de 1 a 2 en peso para reemplazar el amianto en composites de cemento. Se descubrió que un 6% en peso de la mezcla de fibras tenía la misma resistencia a la flexión y tres veces más de tenacidad que un composite reforzado con el 15% de fibras de amianto. Las fibras de Kevlar49 habían sido empleadas, por tanto, para reforzar cementos con el propósito principal de mejorar su tenacidad y el comportamiento a impacto. Con la intención de superar los problemas de dispersión de los filamentos individuales de aramida, se desarrolló una fibra corta por corte de una haz de fibras trenzado de filamentos de Kevlar49 impregnado de epoxy (fig. 1). Los haces trenzados podían ser cortados a la longitud deseada y la superficie exterior de los haces podía también ser tratada para mejorar la adherencia mecánica con la matriz (debido al trenzado, disminuye la cantidad de superficie adherente de las fibras con la matriz). Con esta tecnología un volumen alto de fibra podía ser añadido a la matriz sin problemas de dispersión. Es precisamente este tipo de fibra el que se empleará Antonio Nanni en 1992 para el análisis del hormigón reforzado con aramida.

Proyecto de investigación acerca de las “Propiedades del hormigón y del SIFCON reforzados con fibras de aramida” Hormigón reforzado con fibras El objetivo de esta fase de análisis fue la evaluación del comportamiento de las fibras de aramida trenzadas con impregnación de epoxy en relación con fibras tradicionales como las de acero y polipropileno cuando se usan como refuerzo de la matriz de cemento Pórtland del hormigón. Las características de todas las fibras empleadas se detallan en la Tabla-2, y las propiedades de la matriz se dan en la Tabla-3. Todas las fibras se añadieron a la matriz del hormigón como último componente de la mezcla según los porcentajes mostrados en la Tabla 4. Las muestras fueron tomadas en moldes de acero y vibradas individualmente. Los test fueron realizados en el día 28 o muy poco después.

Vigas de 102 x102 x 356mm fueron sometidas a pruebas de flexión con los resultados mostrados en las figs. 4,5 y 6 para aramida, acero y polipropileno respectivamente. En estas gráficas, para las fibras de aramida y de acero se observa que, según el contenido en fibra aumenta, así lo hace la capacidad de carga después de la primera fisura. Esto se muestra, de acuerdo con los cálculos, en los índices de tenacidad que se observan en la fig. 7. Sólo un pequeño incremento en la resistencia a la primera fisura como función del contenido en fibra se puede apreciar en el hormigón reforzado con fibras de aramida y acero. Esta observación se confirma con los tests de rotura a tracción realizados con muestras cúbicas y cilíndricas. La fig. 8 muestra la relación entre la fuerza de rotura nominal de la deformación por tracción medida sobre el diámetro horizontal de las muestras de hormigón reforzado con fibras de aramida.

SIFCON El objetivo de la segunda fase del proyecto realizado por Antonio Nanni fue la evaluación del comportamiento del SIFCON usando fibras de aramida y de acero. Se rrealizaron dos tipos de muestras usando el cemento slurry descrito en la tabla 5. Un grupo de muestras consistía en planchas de 102 x 102 mm con espesores de 6, 13 y 19 mm (0.25, 0.50 y 0.75 pulgadas respectivamente). Primero fue rociado el molde con el peso predeterminado de fibras necesarias para ocupar la totalidad del volumen de éste. Esta cama de fibras fue entonces infiltrada con el cemento slurry sin vibrarlo para impedir que las fibras de aramida se desplazasen a la superficie. El segundo tipo de muestras se componía de vigas de 76 x 25 x 356 mm compuestas por dos capas de material. Para la primera capa, se roció el molde con el peso predeterminado de fibras (ver tabla 5) hasta ocupar la mitad de su volumen total; a continuación se añadió un agregado de áridos sobre la capa de fibras hasta llenar el molde completamente. En este punto, los vacíos intersticiales fibra-grava se llenaroncon el cemento slurry (sin vibración). La capa de grava tenía la doble función de facilitar la fabricación (las fibras mantenían su posición), y la de confinar las fibras en la zona traccionada. La fig. 9 muestra dos secciones transversales de las vigas por capas con los refuerzos de fibras cortas de aramida. La perdida de resistencia de aproximadamente el 25% que se produce al incluir la grava se debe a la presencia de burbujas de aire que no pudieron escapar al no vibrar la muestra. Los tests de flexión-deformación estática de las vigas se muestran en la Fig. 10. La resistencia a la primera fisuración del SIFCON reforzado con acero está claramente influida por la presencia de las fibras, como se observa con el incremento de aproximadamente 2.5 veces sobre el valor de la matriz sin refuerzo. Las fibras

de acero producen una mayor resistencia a la fisuración con un menor contenido en fibras de acero que de aramida. La resistencia a posteriores figuraciones después de la primera fisuración fue sin embargo mayor en el caso de la fibra de aramida. Las vigas con ambos tipos de refuerzo mostraban una destacable pseudoductilidad percibiéndose sólo una fisuración inicial (y no múltiple) visible a simple vista en el tercio central de la muestra. Asimismo se realizaron tests de impacto sobre las placas de muestra. La Fig. 11 muestra los resultados esperados para la muestra de 19 mm (0.75 in) de espesor, consistentes en una matriz plana y dos curvas (una para SIFCON con aramida y otra con acero) en las que se aúnan los diagramas de fuerza de impacto vs. tiempo y energía de impacto vs. tiempo. Es claro que las muestras reforzadas con fibra mejoran el comportamiento de la matriz an ambos casos hasta la máxima capacidad de carga y de absorción de energía. Además, las muestras con fibra no se hicieron pedazos tras el impacto. La Fig. 12 resume en un diagrama mixto todos los resultados obtenidos de las pruebas de impacto. Para los tras tipos de muestras, el diagrama de barras representa la carga máxima vs. espesor de la placa; mientras que el diagrama lineal representa la energía total de impacto vs. espesor de la placa.

5. ANALISIS Y CONCLUSIONES El hormigón reforzado con fibras de aramida presenta unas características bastante parecidas al hormigón reforzado con fibras de acero. Puesto que los trenzados de aramida son bastante rígidos y no se curvan durante el mezclado, su inclusión en el hormigón reduce considerablemente su trabajabilidad. Con un equipo habitual de mezclado, el máximo volumen de fibras de aramida está entre el 2.0% y el 2.5%, igual que en el caso del acero. Debido a que el diámetro de la fibra no puede ser reducido considerablente sin causar deformaciones permanentes durante la fase de mezclado, la proporción de fibra sólo puede ser variada aumentando la longitud de las fibras. En lo que respecta a las propiedades habituales del hormigón, las fibras de aramida modifican principalmente el comportamiento a fisuración de la matriz de hormigón. Para la misma proporción de fibras, el fallo se produce antes en el hormigón con fibras de acero por la separación de éstas. Para contenidos en fibra por volumen del 1% y superiores, la ductilidad del hormigón con fibras de aramida es notable. Si lo comparamos con un hormigón reforzado con el mismo contenido de fibras de acero, se observa que las fibras de aramida tienen una mayor resistencia a separación si son rectas y con un ratio proporcional por encima del 40. A igual contenido por volumen, parece que tanto la resistencia a la primera rotura como la tenacidad del hormigón reforzado con fibras de aramida son superiores, probablemente como resultado de la relación de 15 a 1 en el módulo elástico. Respecto al comportamiento de las muestras de vigas por capas sometidas a flexión estática, se podría decir que los reducidos valores mostrados para la resistencia a la primera rotura son causados por el aire que contenía la muestra, posiblemente mayor que en el caso de las fibras de acero debido a su tamaño superior al de estas últimas, lo que provoca una mayor porosidad en la muestra. En el caso de la muestra con grava, un vibrado solucionaría este problema ya que además las fibras quedarían atrapadas bajo la grava y sin subir a la superficie. Sin embargo parece que los resultados a impacto demuestran que el comportamiento de las fibras de acero es superior al de las de aramida, incrementándose a medida que crece el espesor de la muestra. Podría deducirse que las fibras de aramida serían más convenientes para aquellos casos en los que la esbeltez de la pieza fuese necesaria. Estas investigaciones experimentales parecen demostrar que el comportamiento de las fibras sintéticas de aramida impregnadas de epoxy actúan de forma similar que las fibras de acero para el refuerzo de matrices de hormigón y de slurry.

La ventaja de la aramida sobre el acero es en la reducción de los problemas de corrosión, y sobre el polipropileno, en un mejor comportamiento global. Por contra, el uso generalizado de la aramida, se ve todavía frenado por los altos costes tanto de material como de fabricación y procesado que todavía posee. Sin embargo, la posibilidad de extender su uso para SIFCON, extrusionados y laminados donde la presencia de las fibras es esencial para conseguir grandes resistencias en elementos de gran esbeltez, el refuerzo de aramida puede tener un papel fundamental. Otro campo de aplicación de las fibras de aramida como refuerzo del hormigón, y que no se ha estudiado en este trabajo, es el de aplicaciones como refuerzo de fibra larga o formando cables y tendones. A este respecto, según la mayoría de investigaciones, sus mejores resultados se obtienen, en el caso del hormigón, para estructuras con cables pretensados de fibras de aramida.

BIBLIOGRAFIA # Material Architecture John Fernández Architectural Press 2006 # The Effect of Ultraviolet Light on Mechanical Properties of Kevlar49 Composites Fritz Larsson Journal of Reinforced Plastics and Composites 1986 # Mechanical Joining of Aramid Fibre Composites De Koning and Van Dreumel Journal of Reinforced Plastics and Composites 1983 # Tensile Properties of Portland Cement Reinforced with Kevlar Fibers Konczalski and Piekarski Journal of Reinforced Plastics and Composites 1982 # Properties of Aramid-Fiber Reinforced Concrete and SIFCON Antonio Nanni Journal of Materials in Civil Engineering 1992 # DuPont – Kevlar WEB # Teijin – Twaron WEB