El desarrollo del Compuesto Cementado de Ingeniería un hormigón con propiedades para la ductilidad a la tracción es la base de la nueva infraestructura y la rehabilitación de la existente
Materiales:
Hormigón de alta ductilidad para infraestructuras resilientes
Los terremotos, incendios y explosiones son conocidos por su enorme capacidad para destruir todo a su paso. ¿Podría un nuevo tipo de hormigón sostener la respuesta para disminuir el daño?
La infraestructura civil, incluidos los edificios, puentes, carreteras, túneles, represas y pavimentos de aeródromos, puede estar sujeta a múltiples peligros, como terremotos, incendios, tormentas, vientos, proyectiles y explosiones. La protección contra fallas catastróficas de la infraestructura debido a tales cargas extremas no se puede garantizar a pesar de muchas décadas de investigación en diseño estructural y desarrollo de materiales. Esto está ilustrado por eventos como el atentado con bomba en el edificio federal Alfred Murrah de 1995, el terremoto de Northridge en California en 1994 y el huracán Katrina de 2005 en el Golfo de México.
Dentro de la comunidad tecnológica concreta, el desarrollo de hormigón cada vez más resistente (compresivo) en las últimas décadas ha dado esperanza para estructuras más fuertes. Sin embargo, también se reconoce cada vez más que cuando se alcanza un cierto nivel de resistencia a la compresión, el fracaso de una estructura o elemento estructural estará dominado por una fractura frágil en tensión. Este reconocimiento ha llevado a una expansión del desarrollo de las propiedades de los materiales hacia la ductilidad a la tracción en los últimos años (véase, por ejemplo, Fischer y Li, 2006). Este nuevo enfoque de investigación y desarrollo puede proporcionar una base racional para respaldar la construcción de nueva infraestructura y la rehabilitación de la infraestructura existente para lograr una resistencia robusta y mejorada contra múltiples peligros.
Este artículo presenta el compuesto cementado de ingeniería (ECC), que tiene su microestructura diseñada desde cero para la ductilidad a la tracción. Como resultado, el material muestra una alta tolerancia al daño bajo una variedad de condiciones de carga. Después de un breve resumen del enfoque de diseño basado en micromecánica detrás de ECC, se revisan los aspectos destacados de sus propiedades de tracción y algunas aplicaciones de campo recientes de este material emergente. El artículo concluye con breves comentarios sobre el desarrollo futuro de ECC funcionales inteligentes.
Enfoque de diseño y propiedades de ECC.
El enfoque de diseño detrás de ECC ultra-dúctil es significativamente diferente del de detrás de hormigón de ultra alta resistencia. El principio más fundamental del diseño de hormigón de ultra alta resistencia es el empaquetamiento apretado de partículas, dejando el menor vacío posible en el compuesto endurecido. Este enfoque resulta en un retraso de las grietas que surgen de los defectos del material y extiende la resistencia y rigidez del hormigón. Este retraso en el inicio de la fisuración es el resultado de defectos de menor tamaño y mayor tenacidad de la matriz intrínseca, de acuerdo con la mecánica de fractura.
Sin embargo, una vez que crece una grieta, su propagación es inestable y da como resultado una alta fragilidad compuesta. La adición de fibras reduce esta fragilidad, haciendo que el material sea utilizable en un miembro estructural.
Uno de los pioneros de este enfoque de diseño de ultra alta resistencia es el Dr. Hans Henrik Bache, del Grupo Aalborg Portland, en Dinamarca, en la década de 1980. El resultado fue un hormigón reforzado con fibras y de alta resistencia conocido como Densit, con una resistencia a la compresión que alcanza los 120 mega pascales (MPa) (Bache, 1981). Desde entonces, se han desarrollado y comercializado varios derivados de esta clase de material de hormigón. Estos incluyen Ductal, desarrollado por La-Farge en Francia (Richard y Cheyrezy, 1995), y Cor-tuf, desarrollado por el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (ERDC) (Neeley y Walley, 1995). Estos desarrollos posteriores se han visto favorecidos por la disponibilidad de modelos de empaquetamiento de partículas, partículas ultrafinas y dispersantes químicos fuertes, y un régimen de curado especializado, en el que se han informado resistencias a la compresión superiores a 200 MPa y resistencia a la tracción superior a 10 MPa . Sin embargo, incluso con refuerzo de fibra, esta clase de material muestra respuestas de suavizado de la tensión cuando se prueba bajo una carga de tracción uniaxial, con una capacidad de deformación que no supera el 0.2 por ciento.
Como se señaló anteriormente, el hormigón de alta resistencia se desempeña bien bajo carga de compresión pura. Sin embargo, muchas estructuras experimentan cargas de flexión y corte que invariablemente introducen tensiones de tracción en el material. En la carga dinámica, las ondas de tensión compresiva que viajan a través del espesor de un elemento de hormigón y se aproximan a una superficie libre se reflejarán como una onda de tracción que resulta en escombros de alta velocidad expulsados en el lado posterior de la estructura (Forquin y Erzar, 2009). Ninguna cantidad de refuerzo de acero puede evitar este tipo de modo de falla que involucra la fragmentación y fragmentación del hormigón, ya que el refuerzo siempre requiere una cubierta de hormigón.
Incluso en el lado de impacto directo, los materiales adyacentes al cráter bajo un objeto penetrante a menudo desarrollan grietas radiales de tracción (Cargile et al, 2002). Nuevamente, esto sugiere la presencia de un alto esfuerzo de tracción local. Los elementos estructurales de hormigón sometidos al fuego a menudo se desprenden debido a una combinación de estrés térmico diferencial y generación de presión interna por vaporización de agua de poros capilares. Las tensiones de tracción resultantes eventualmente llevan a fracturas frágiles del hormigón de la superficie, permitiendo el contacto directo entre la siguiente línea de acero de refuerzo y las llamas, y reduciendo el tiempo que tarda el acero en ablandarse y colapsarse estructuralmente.
Con el fin de soportar tensiones de tracción y prevenir fracturas frágiles, se prefiere una alta tenacidad del material compuesto. Si el modo de falla de fractura es completamente suprimido por la ductilidad a la tracción del material (por ejemplo, si se puede hacer que el material sufra una deformación plástica sin una fractura localizada), se pueden evitar los fenómenos destacados anteriormente. Como resultado, la estructura experimenta una alta tolerancia al daño. Esto forma la filosofía de diseño detrás de ECC que resulta en el desarrollo de un hormigón fundamentalmente dúctil.
El ECC está diseñado en función de la micromecánica de inicio de grietas, puentes de fibra y propagación de grietas en estado estable (Maalej y Li, 1994; Lin y Li, 1997; Li et al, 2002) en una matriz frágil reforzada con fibras cortas distribuidas al azar. Permitiendo deliberadamente que se formen grietas a una tensión de tracción justo por debajo de la capacidad de puente de la fibra (por ejemplo, antes de que la capacidad de puente de la fibra se agote a través de la extracción o ruptura de la fibra), y controlando el ancho de la grieta a través del modo de propagación de la grieta (plano grieta frente a la grieta del tipo Griffith), ECC tiene la capacidad de sufrir daños no catastróficos en forma de formación de grietas múltiples al tiempo que mantiene la capacidad de carga de tracción.
De manera análoga al metal dúctil, donde el endurecimiento por deformación está acompañado por un daño por dislocación del material, el ECC sufre un endurecimiento por deformación por tracción acompañado por la formación de múltiples microfisuras. Macroscópicamente, el modo de fractura frágil del hormigón normal se convierte en un modo similar al “rendimiento plástico” en ECC. Para controlar cuándo se debe permitir que se inicien las microfisuras y si el modo de propagación de grieta plana domina sobre el modo de grieta de Griffith, los parámetros micromecánicos de la fibra, la matriz y la interfaz fibra / matriz en el compuesto deben ajustarse correctamente. Guiados por los modelos de microfractura y puente de fibra, los parámetros micromecánicos optimizados se traducen luego en combinaciones específicas de características de fibra, matriz e interfaz. De esta manera, el objetivo de diseño de ECC está dirigido al endurecimiento por tensión de tracción con una ductilidad de varios por ciento (varios cientos de veces mayor que la del hormigón normal). La resistencia a la compresión se conserva, pero se asegura de no violar los criterios de endurecimiento por tensión de tracción.
La Figura 1 muestra la relación de tensión-tensión de tracción de un material de ECC típico obtenido de una prueba uniaxial de cupón de tensión.
La figura 2 muestra la curva de desarrollo de la resistencia a la compresión de un ECC. En este ejemplo, la ductilidad a la tracción y la resistencia a la compresión son del 3 al 4 por ciento y 70 MPa a los 28 días (Wang y Li, 2007). Una versión de ECC de muy alta resistencia (con una resistencia a la compresión de más de 160 MPa) se ha desarrollado recientemente en la Universidad de Michigan en colaboración con el ERDC.
La disponibilidad de un modelo basado en micromecánica permite una adaptación muy versátil de ECC para una variedad de características deseables de hormigón fresco y endurecido, además de resistencia y ductilidad. Por ejemplo, se han desarrollado ECC autocompactantes (Kong et al, 2003) y ECC pulverizable (Kim et al, 2003). Además, también se han desarrollado ECC de peso ligero (Wang y Li, 2003) con densidad inferior a 1 g / cc, y ECC de alta resistencia temprana (Wang y Li, 2006) con resistencia a la compresión que alcanza 21MPa a las 4 horas. Estas diversas versiones de ECC se han diseñado para cumplir con requisitos de rendimiento específicos en diferentes aplicaciones. ECC es una familia de materiales compuestos a base de cemento dúctil reforzado con fibra diseñada sobre una base micromecánica.
Aplicación de ECC
ECC se utiliza en infraestructura de agua y energía, así como en los sectores industriales de construcción y transporte. Además de las consideraciones de ahorro de costos, la fuerza impulsora detrás de las aplicaciones de ECC incluye seguridad mejorada (Li, 1993), durabilidad (Lepech y Li, 2006; Sahmaran y Li, 2010) y sostenibilidad ambiental (Lepech et al, 2008).
El ECC rociable se aplicó a la rehabilitación de canales de irrigación en el oeste de los Estados Unidos (Figura 4). En esta aplicación, la tolerancia al daño de ECC se usó para combatir la falla perenne de congelación y descongelación de los canales de hormigón normales. Se ha demostrado que la ECC es resistente a los ciclos de congelación y descongelación con o sin la presencia de sales de deshielo (Lepech y Li, 2006; Sahmaran y Li, 2007). Otras aplicaciones de ECC en infraestructura de agua incluyen la reparación de la superficie de una presa erosionada en Hiroshima, Japón (Kojima et al, 2004). En esta aplicación, se aprovechó la estanqueidad al agua del ECC.
Figura 4. Esta imagen muestra las capacidades de flexión extremas de ECC bajo una gran carga de flexión. Imagen cortesía de UM News Services.
La ECC se usó como un revestimiento de protección de la superficie (Figura 5) para las tuberías utilizadas en la industria del petróleo / gas. La resistencia al daño, la durabilidad mejorada y la flexibilidad se citaron como la razón detrás de su uso en esta aplicación (Lepech et al, 2010). Otras aplicaciones potenciales de ECC que se están considerando en infraestructura energética incluyen su adopción en la cimentación y las torres de turbinas eólicas marinas.
El ECC se utilizó en forma de vigas de acoplamiento (Figura 6) en el núcleo de edificios altos (Maruta et al, 2005). Estos haces de acoplamiento proporcionan altas capacidades de absorción de energía bajo cargas de cizallamiento inverso durante eventos sísmicos. Estas vigas de acoplamiento se prefabricaron fuera del sitio y se instalaron en el lugar, colocando la pared central alrededor de las vigas de piso a piso. Otra infraestructura de construcción / vivienda potencial incluye paneles prefabricados de piso y techo compuestos por una losa de ECC de pared delgada y una subestructura de armadura de acero (Fischer et al, 2009). Las características ventajosas de estos paneles compuestos incluyen un peso ligero, alta capacidad de carga y un proceso de fabricación modular.
ECC se aplicó a la infraestructura de transporte como una losa de enlace (Figura 7) en una cubierta de puente (Lepech y Li, 2009) en Grove Street Bridge en el sureste de Michigan en 2005. La deformabilidad a la tracción de ECC se aprovechó para adaptarse a los movimientos de cubierta de puente inducidos por Expansiones térmicas y contracciones. El objetivo era eliminar los requisitos de mantenimiento asociados con las juntas típicas de expansión de la cubierta del puente. La Disposición Especial de ECC del Departamento de Transporte de Michigan establece un mínimo de capacidad de deformación por tracción del dos por ciento para adaptarse a la demanda de deformación debido a la temperatura, la contracción y la carga de vida combinadas.
Se estimó el porcentaje de reducción de contaminantes del agua (Keoleian et al, 2005). Este diseño de placa de enlace de ECC se adoptó en 2006 en el segmento de la autopista A22 que se extiende desde Bolzano hasta el puente fronterizo de Austria en el norte de Italia. Además, el puente Mihara atirantado de 972 m de largo en Hokkaido, Japón, empleó una capa de ECC continua de 38 mm de espesor sobre una placa de acero (Mitamura et al, 2005). Este puente se abrió al tráfico en 2005. En esta aplicación, la alta ductilidad de tracción de ECC se convirtió en una mayor resistencia a la flexión con una sección transversal más delgada de la plataforma del puente.
Conclusiones
ECC se ha establecido como uno de los hormigones más dúctiles en aplicaciones a gran escala en la actualidad. Su ductilidad a la tracción se ha traducido en mayor seguridad y durabilidad, y en la sostenibilidad ambiental de una amplia gama de infraestructuras civiles en los sectores de agua, energía, construcción y transporte. Estas aplicaciones iniciales demuestran varias consideraciones importantes en cualquier material recientemente desarrollado, incluida la viabilidad económica, el procesamiento a escala de campo del material y la localización de los ingredientes del material. Igualmente importante, se agregan a la base de conocimientos de cómo y dónde se debe aplicar dicho material en los futuros sistemas de infraestructura.
Si bien los investigadores de todo el mundo han acumulado una base de datos cada vez más grande de propiedades físicas y mecánicas que respalda el comportamiento tolerante a los daños de la ECC bajo una variedad de tipos de carga mecánica y ambiental, su aplicación potencial para la resistencia de la infraestructura contra multihazards debe ser estudiada en forma sistemática. . Yang y Li (2006, 2010) investigaron recientemente la resistencia al impacto del ECC mediante pruebas de caída de peso. Estos estudios revelan que se debe tener especial cuidado en la formulación de ECC para una carga de alta velocidad, lo que induce la sensibilidad de la velocidad. Sin embargo, cuando la interfaz de fibra, matriz y fibra / matriz se adaptan adecuadamente, la ductilidad extrema que se muestra en la Figura 1 se puede mantener bajo carga de impacto. Estas investigaciones deben ampliarse para incluir efectos de proyectil de alta velocidad y carga explosiva.
El hecho de que ECC muestre tolerancia a los daños también lo hace atractivo como futuro material multifuncional. Por ejemplo, la capacidad de autocuración de ECC se informó recientemente. Tanto la recuperación del transporte (permeabilidad) como las propiedades mecánicas (rigidez) se observaron (Yang et al, 2009) después de que la muestra dañada deliberadamente se expuso al agua y al aire. Además, se está estudiando la funcionalidad de detección automática de ECC (Hou, 2008). Se prevé que las generaciones futuras de infraestructura civil resistente también serán inteligentes con la capacidad de autoinformar las condiciones de salud en términos de extensión de daños y recuperación. Dicha inteligencia es compatible con la recuperación de las funciones de infraestructura posteriores a los eventos de carga extrema, así como a la programación de mantenimiento optimizada para la seguridad y la sostenibilidad en la carga de servicio normal.
Parte de la investigación descrita en este artículo ha sido patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología y el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos. El autor agradece estos apoyos.
Victor C. Li es un catedrático de Ingeniería Civil y Ambiental de E. Benjamin Wylie, y profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Michigan. Sus intereses de investigación incluyen el diseño, procesamiento y caracterización de compuestos cementosos avanzados reforzados con fibra, y la elevación de la ultra-ductilidad de dichos materiales al rendimiento mecánico y de durabilidad de los elementos y sistemas estructurales.
Agradecimientos a la revista del “Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción USA”, enero 2011.