Ciencias Técnicas y Aplicadas
Artículo de investigación
Estudio comparativo sobre el comportamiento
mecánico del concreto con fibra de polietileno tereftalato (PET) reciclado y concreto
con fibra de acero
Comparative study on the mechanical behavior of concrete with recycled
polyethylene terephthalate (PET) fiber and concrete with steel fiber
Estudo comparativo do comportamento mecânico do concreto com fibra
reciclada de tereftalato de polietileno (PET) e do concreto com fibra de aço
Correspondencia: lindaacoboss@gmail.com
*Recibido: 25
de julio 2021 *Aceptado: 06 de septiembre
de 2021 * Publicado: 20 de
septiembre de 2021
I.
Egresada
Ingeniera civil de la Universidad Laica Vicente Rocafuerte de Guayaquil e investigadora
independiente.
II.
Ingeniero
Civil, Magíster en Sistemas Integrados de Gestión, Docente Investigador,
Catedrático en la Universidad Laica Vicente Rocafuerte en Guayaquil, Guayaquil,
Ecuador.
Resumen
El
objetivo general de la investigación se concentra en presentar un estudio
comparativo sobre el comportamiento mecánico del concreto con fibra de
polietileno tereftalato (PET) reciclado y concreto con fibra de acero, para la
obtención de una ficha comparativa que mejore los procesos constructivos.
Debido a que la investigación nace de un apartado ambiental que involucra
darles un segundo uso a envases PET, por su responsabilidad en el daño
medioambiental y teniendo en consideración que la industria de la construcción
es conocida como una de las más contaminantes en el mundo, el estudio de
opciones que permitan minimizar impactos ambientales y mejoren el desempeño del
concreto es importante. El estudio comprende un enfoque cuantitativo, con
diseño de investigación descriptiva por tratarse de una comparación, y
experimental debido a los distintos ensayos realizados a especímenes de
hormigón que permiten obtener información experimental sobre el concreto con
fibras de PET reciclado y concreto con fibras de acero. Asimismo, es de nivel
explicativo, ya que al manipular las variables de resistencia a la compresión y
tracción indirecta del hormigón reforzado con fibras, como estudio empírico
para medir los efectos en los resultados obtenidos en laboratorio, permiten
conocer el comportamiento mecánico del concreto. Los resultados de la
investigación revelan distintos niveles de mejora frente al hormigón
tradicional según la fibra y el porcentaje añadido.
Palabras clave: Concreto; fibra;
polietileno; tereftalato; acero; resistencia.
Abstract
The general objective of the research is focused on
presenting a comparative study on the mechanical behavior of concrete with
recycled polyethylene terephthalate fiber (PET) and concrete with steel fiber,
in order to obtain a comparative sheet that improves construction processes.
Because the investigation arises from an environmental section that involves
giving a second use to PET containers, due to its responsibility in
environmental damage and taking into consideration that the construction
industry is known as one of the most polluting in the world, the Study of
options that minimize environmental impacts and improve concrete performance is
important. The study comprises a quantitative approach, with a descriptive research
design because it is a comparison, and an experimental one due to the different
tests carried out on concrete specimens that allow obtaining experimental
information on concrete with recycled PET fibers and concrete with steel
fibers. Likewise, it is explanatory, since by manipulating the variables of
resistance to compression and indirect traction of fiber-reinforced concrete,
as an empirical study to measure the effects on the results obtained in the
laboratory, they allow to know the mechanical behavior of concrete. The results
of the research reveal different levels of improvement compared to traditional
concrete depending on the fiber and the percentage added.
Keywords: Concrete; fiber; polyethylene; terephthalate; steel;
endurance.
Resumo
O objetivo geral da
pesquisa é apresentar um estudo comparativo sobre o comportamento mecânico do
concreto com fibra reciclada de polietileno tereftalato (PET) e do concreto com
fibra de aço, a fim de obter uma lâmina comparativa que melhore os processos construtivos.
Porque a investigação decorre de um setor ambiental que envolve dar uma segunda
utilização aos contentores PET, devido à sua responsabilidade nos danos
ambientais e tendo em consideração que a indústria da construção é reconhecida
como uma das mais poluentes do mundo, o Estudo de opções que minimizar os
impactos ambientais e melhorar o desempenho do concreto é importante. O estudo
compreende uma abordagem quantitativa, com um desenho de pesquisa descritivo
por se tratar de uma comparação, e experimental devido aos diferentes ensaios
realizados em corpos de prova de concreto que permitem a obtenção de
informações experimentais em concreto com fibras PET recicladas e concreto com
fibras de aço. Da mesma forma, é explicativo, pois ao manipular as variáveis
de resistência à compressão e tração indireta do concreto
reforçado com fibras, como estudo empírico para medir os efeitos nos resultados
obtidos em laboratório, permitem conhecer o comportamento mecânico do concreto.
Os resultados da pesquisa revelam diferentes níveis de melhoria em relação ao
concreto tradicional, dependendo da fibra e da porcentagem adicionada.
Palavras-chave:
Concreto; fibra; polietileno; tereftalato; aço; resistência.
Introducción
En la industria de la construcción el
hormigón es el material con mayor uso debido a sus propiedades físicas y
mecánicas, sin embargo, dentro de estas últimas su resistencia a la flexión, la
presencia de fisuras siempre ha representado un problema, es por esto que el
reforzamiento del hormigón es algo sumamente necesario para distintas
construcciones civiles. Para su refuerzo es universal hacer uso del acero en
varillas, mallas y fibras, sin embargo, en Ecuador el uso de fibras de acero
para reforzar el hormigón no es algo común, es por esto que este estudio a más
de ahondar en el rendimiento que adquiere el hormigón luego de ser reforzado
con dichas fibras, se realiza un estudio sobre los resultados obtenidos con
fibras de polietileno tereftalato (PET), especialmente de envases, ya que
representan una preocupante cantidad de desechos a nivel mundial, donde una
forma de mitigar su impacto ambiental se encuentra en el aprovechamiento de su
aplicabilidad en una matriz de hormigón.
La forma en la que se desarrolla la
investigación es fundamentado en metodologías, métodos y tipos de investigación
como descriptiva, explicativa, bibliográfica, comparativa y experimental,
haciendo uso de resultados de laboratorio para la realización de un análisis
sobre el comportamiento del hormigón con adición de fibras de PET reciclado y
fibras de acero, haciendo referencia al estudio que ha recibido el hormigón con
adición con fibras recicladas de PET y fibras de acero con distintos métodos
para los diseños de hormigones, diferentes porcentajes de fibras añadidas.
El hormigón es un elemento del que se ha
realizado múltiples estudios ya que es uno de los más utilizados en el mundo de
la construcción, con el fin de ampliar el conocimiento sobre la tecnología del
hormigón, existen investigaciones respecto al concreto reforzado con fibras.
Sin embargo, pese a sus favorables resultados en el mejoramiento de sus
propiedades, su aplicación en el país es escasa, debido a la falta de puesta en
práctica de nuevas técnicas y conocimiento de opciones ecológicas que tengan la
misma utilidad con mayores beneficios; por lo que se aborda este problema
sintetizando los resultados por medio de ficha comparativa entre fibras de PET
reciclado y fibras de acero, y así llegar a constructores y permitir un punto
de partida para futuras investigaciones referente al comportamiento del
hormigón con adición de fibras.
Por tanto, el objetivo general que
persigue la investigación es: presentar un estudio comparativo sobre el
comportamiento mecánico del concreto con fibra de polietileno tereftalato (PET)
reciclado y concreto con fibra de acero, dando respuesta a la problemática
sobre: ¿cuáles son las diferencias sobre el comportamiento mecánico del
concreto con fibra de polietileno tereftalato (PET) reciclado y concreto con
fibra de acero?
En este contexto, el estudio se plantea en
la línea de investigación de la Universidad Laica Vicente Rocafuerte de
Guayaquil (2020), sobre: Urbanismo y ordenamiento territorial aplicando
tecnología de construcción eco-amigable, industria y desarrollo de energías
Renovables, de la Facultad de Ingeniería
Industrial y Construcción (FIIC) de Materiales de construcción y sub-línea
sobre: Materiales innovadores en la construcción.
Por tanto, se justifica la investigación
dado que se agregan materiales tradicionales para la fabricación de hormigón,
cumpliendo con uno de los objetivos del Plan Nacional de Desarrollo 2017-2021,
relacionado con: el impulso a la productividad y competitividad, y garantizando
los derechos de la naturaleza para las actuales y futuras generaciones, al
hacer uso de las fibras de PET reciclado como reemplazo de fibras de acero, e
incluso el armado tradicional de varillas de acero en conjunto con el hormigón.
Desarrollo
Como fundamento teórico para reforzar la
investigación, se toma en consideración puntos importantes, tales como:
concreto e importancia, componentes del hormigón, fibras de acero, fibras de
PET reciclado y concreto reforzado con fibras.
Concreto e
Importancia
El concreto es el resultado de la unión de
cemento, agua, grava y arena, también puede incluir aditivos. El concreto u
hormigón es una mezcla, apenas el 15% de este es el cemento, en relación a su
volumen, no obstante, su presencia es importante, según Holcim.
Respecto a los aditivos, estos poseen
diferentes funciones entre ellas permitir que el agua que se agregue a la
mezcla sea menor que la que normalmente se necesite, también mejora la
resistencia y aumenta la trabajabilidad de la misma. (Sarta y Silva, 2017).
En la actualidad, el hormigón es el
material más utilizado en el país. Su calidad final depende de la calidad de
sus componentes y del profesionalismo del ingeniero encargado, su puesta en
obra, el control de calidad. (Rivva, 2000). Radica allí la importancia del
estudio de sus materiales, su manejo, y su mantenimiento (Carrillo y Rojas,
2017).
Componentes
del hormigón
Para elaborar la mezcla se requiere de:
cemento, agua y agregados (finos y gruesos).
Cemento
Es producido por la pulverización del
Clinker, que está compuesto por silicatos de calcio hidráulico, conteniendo
varias formas de sulfato de calcio. Tiene algunos elementos mineralógicos y
otros secundarios, según la NTP 334.009 (Carrillo y Rojas, 2017). En la figura
1, se muestran los tipos de cemento según la NTE.
Figura 1: Tipos de cemento de acuerdo a la NTE
Nota: La figura muestra los ocho tipos de
cemento de acuerdo a la Norma Técnica Ecuatoriana (NTE). Fuente: Instituto
Ecuatoriano de Normalización (INEN), NTE, 2010.
Agua
Este elemento para ser utilizado en el
hormigón no debe de contener impurezas y limpia para poder ser empleada en la
mezcla del hormigón y su reacción sea favorable. Su uso y manipulación a la
hora de ser usada en el concreto debe usarse en las proporciones correctas para
que este pueda llegar a su resistencia máxima (Cristhian y Zavala, 2020).
El agua representa entre 10% y 25% del
volumen del concreto al ser mezclado. Cualquier sustancia dañina que posea el
agua al momento de la mezcla influirá negativamente en las propiedades del
producto final. Muchas veces el que el agua sea potable no basta, debe cumplir
con requisitos de calidad ya que podría incluir citratos o incluso azúcares que
no son aptas para la elaboración del hormigón sin embargo no compromete su
potabilidad, (Corcino, 2007).
Agregados
Los agregados representan desde el 65% al
80% del volumen total del concreto según (Rivva, 2000), son unas partículas de
un material estudiado, el cual debe cumplir una serie de ensayos para conocer
su comportamiento y el que obtendrá junto con la pasta de cemento con agua. El
agregado influye sobre las propiedades del concreto en estado fresco y
endurecido. Su origen puede ser de rocas ígneas, sedimentarias o metamórficas
(Carrillo y Rojas, 2017). Para la elaboración del hormigón es necesario cumplir
con la norma NTE INEN 872, según los requisitos para áridos.
·
Agregado
fino. Es el material que se denomina Arena y sus partículas en su mayoría pasan
el tamiz #4 (4.75mm) y se retienen por el tamiz #200 (75µm), (Silva, 2014).
·
Agregado
grueso. También conocido con el nombre de Ripio y este material es retenido
mayoritariamente por el tamiz #4 (4.75mm) (Silva, 2014).
Fibras de
acero
Una opción a la hora de reforzar el
hormigón siempre serán las fibras de acero debido a su capacidad de mejora al
comportamiento estructural del hormigón armado elaborado tradicionalmente. La
distribución homogénea y distribución de las fibras en la mezcla del concreto
permite la reducción de la fragilidad presente en el concreto, dando paso a la
mejora de sus propiedades mecánicas.
La forma en la que las fibras se
distribuyen en la matriz de hormigón tiene mucha influencia, ya que cuando esta
tiene una sola dirección y es paralela al esfuerzo de tracción que se le aplica
es cuando se obtiene una mejora máxima y tiene menor impacto cuando estas son
orientadas al azar y en las tres dimensiones. Sus formas más comunes son las
que presentan ondulación y ganchos, elaboradas con acero inoxidable. (Corcino, 2007)
Fibras de
PET reciclado
El PET en forma de fibra, añadido a la
matriz de hormigón posee beneficios desde su origen reciclado que comprende un
bajo costo y un beneficio para el medio ambiente, dando un segundo uso a
materiales de desecho también es conocido por su alto rendimiento al ser
adicionado al concreto.
En la investigación se elabora de forma
semejante a las fibras comerciales. El PET luego de su utilización es
mayoritariamente utilizado para producir piezas automóviles. En el reciclaje,
al disminuir los residuos, se utiliza tan solo 30% de la energía que se exige para producir
resina virgen. Los componentes con refuerza de fibra de polímeros se
caracterizan por fácil fabricación, bajo costo y superiores propiedades
mecánicas. (Baldenebro, 2015).
Dentro de sus propiedades mecánicas se
encuentra su alta resistencia al desgaste debido a su estructura cristalina,
esta aumenta la rigidez mucho más de la que resulta por simple orientación
molecular, permite estabilidad dimensional del mismo incluso luego del
procesamiento. (Guamán y Pinenla, 2019).
Concreto
reforzado con fibras
Su implementación dentro del concreto
tiene como objetivo que se forme un material tan diverso que puede ser
considerado diferente por su esqueleto lítico que es disperso en la pasta de
cemento en conjunto con el agente que refuerza siendo este un material fibroso
de distinta constitución. (Macafferi, 2007, p. 9).
De igual manera dotar al concreto con
fibras con una adecuada resistencia a la tracción, homogéneamente distribuida
dentro del concreto, hace que constituya una micro-armadura la cual muestra una
extremada eficacia al contrarrestar el fenómeno de figuración por retracción y
a la par brinda al concreto una ductilidad que puede llegar a ser considerada
en la medida que la resistencia y la cantidad de las fibras sea elevado,
confiriendo así al concreto una gran tenacidad. (Macafferi, 2007, p. 9). Se
conoce que muchas veces no se considera la resistencia a la tracción en los
códigos de diseño puesto a que es de comportamiento frágil, sin embargo, al
presentarse una mezcla fibroreforzada la tracción incrementa considerable para
fines de diseño. Con ensayos sobre vigas se efectúa esta evaluación a lo largo
del desarrollo de la presente investigación. (Carrillo y Rojas, 2017).
Materiales
y métodos
El enfoque del presente estudio es de tipo cuantitativo, debido a que se
fundamenta en el análisis de datos que se obtienen a partir de ensayos de los
diversos materiales para determinar el comportamiento del hormigón reforzado
con fibras de acero y su influencia en las propiedades mecánicas (Silva, 2014).
Según Hernández, Fernández y Baptista (2014), la investigación es
experimental y descriptiva, debido a que se recopila la información de estos
dos tipos de fibra y se realizan ensayos de dichos agregados para elaborar
ficha comparativa. El trabajo contiene cuatro importantes pasos a seguir, los
cuales son:
·
Recolectar
la información proveniente de investigaciones realizadas por distintos autores
respecto al hormigón fibro-reforzado con fibras PET recicladas y fibras de
acero para acceder a datos relacionados con el comportamiento mecánico del
mismo.
·
Obtención
de resultados experimentales mediante ensayos de laboratorio que amplíen la
información recopilada, sometiendo así a los especímenes de hormigón a
condiciones similares para obtener comparaciones fieles del comportamiento de
este bajo los dos tipos de fibras.
·
Análisis y
evaluación de datos hallados.
·
Elaboración
de una ficha comparativa, sintetizando la información obtenida durante el
desarrollo de la investigación.
El nivel del estudio es descriptivo comparativo, considerando que el
tema de reforzar al hormigón con fibras dispersas de acero y PET reciclado,
utilizando los agregados de nuestro medio ha sido poco analizado, pero que con
el sustento técnico de los ensayos que se realizaran se logrará determinar la
influencia que tendrá sobre las propiedades mecánicas del hormigón.
Es descriptivo, porque además de tener conocimiento acerca de la calidad
de los diferentes agregados propios utilizados para la fabricación de concreto,
se contará con una amplia información acerca del comportamiento que tendrá el
hormigón al incorporar en su preparación diferentes porcentajes de fibra de
acero y fibras de PET reciclado (Silva, 2014). Es fundamental conocer el estado
y condiciones reales del tema a tratar, es por ello que se hace uso de la
investigación de tipo descriptiva que permite vincularse con la investigación
de tipo analítica con el objetivo de permitir comprensión y aclaración a profundidad
sobre el comportamiento mecánico del hormigón.
Según el diseño para responder al problema planteado es de una
investigación documental, ya que será un proceso basado el análisis de datos
que se obtendrán a partir de ensayos de los diversos materiales, es decir, los
obtenidos y registrados por otros investigadores en fuentes documentales:
impresas, audiovisuales o electrónicas. Asimismo, la investigación es
desarrollada bajo los lineamientos de una investigación experimental,
elaborando especímenes de hormigón cilíndricos, así como vigas con la adición
de fibras de acero y fibras de PET, para conocer las características mecánicas
del hormigón con la finalidad de elaborar una ficha comparativa como propuesta.
Las técnicas utilizadas en la presente investigación tienen como objeto
recopilar información para su posterior análisis mediante los instrumentos que
se ajusten al estudio. Los ensayos son realizados bajo los lineamientos de la
norma ASTM (American Society for Testing and Materials), como el: ensayo al
hormigón de resistencia a la compresión ASTM C39 y el ensayo al hormigón de
resistencia a la tracción indirecta ASTM C496. Los instrumentos con los que se
realizarán las mencionadas técnicas de recolección de datos son: los equipos
del laboratorio como la prensa para rotura de cilindros, balanzas, horno y
tamices que permitan la realización de los ensayos como recolección de datos
experimentales.
Haciendo uso de la información proporcionada por el Instituto Nacional
de Estadísticas y Censos (INEC) en el 2018, los resultados de la Encuesta
Nacional de Edificaciones (ENED) dan a conocer la variable: permisos de
construcción. Por lo que, se identifica como población a las empresas y al
grupo de profesionales que se dedican a la construcción, focalizando los
permisos de construcción generados en el cantón Guayaquil en dicha fecha. Así,
la población corresponde a 5.233 permisos en edificaciones y la muestra se tomó
con un nivel de confianza de 95%, una desviación estándar de 1,96 y un error de
5%, dando como resultado 358 permisos.
Análisis y discusión de los resultados
Como aporte al conocimiento sobre la tecnología del hormigón, teniendo
como antecedente datos de los trabajos previos realizados por investigadores
sobre las fibras de PET reciclado y de acero, en este capítulo se plasma los
pasos realizados para conseguir los datos experimentales, sometiendo el
hormigón tradicional, hormigón con fibras de acero y hormigón con fibras de PET
reciclado a las mismas condiciones para así lograr tener una justa comparación
para finalizar la propuesta con una ficha comparativa que permita conocer el
comportamiento del hormigón de manera sintetizada.
Para la realización de los ensayos de laboratorio, fundamentales para la
obtención de datos experimentales, se parte de la caracterización de los
agregados puesto que, el hormigón, siendo un material compuesto, influyen los
tipos de componentes añadidos a la mezcla en sus diversas características.
Se inicia con la caracterización de los agregados del hormigón, es por esto
por lo que mediante un ensayo granulométrico realizado en el laboratorio: Ing.
Arnoldo Rufilli, de la Universidad de Guayaquil, donde también se realizaron
los ensayos de resistencia a la compresión normalizado de especímenes
cilíndricos de hormigón bajo la norma ASTM C39 y ensayos para resistencia a la
tracción indirecta bajo la norma ASTM C496.
Se inicia con los ensayos del agregado fino y agregado grueso utilizados
para la realización de los especímenes de hormigón para determinar sus
características físicas y mecánicas.
Por otro lado, para la selección de la fibra de acero, se conoce que
según la ACI 544 1R-96 la capacidad que posee el filamento de adherirse con el
hormigón está sujeto a la relación de esbeltez, ya que, mientras sea mayor se
consigue mejor adherencia de las fibras al concreto. Dentro de estos se tiene
conocimiento de los valores más usados dentro del acero que se encuentran de 20
a 100, mientras que la longitud de las fibras está comprendida entre 0.25 y 3
pulgadas (6.4 mm – 76 mm), (Silva, 2014).
Es importante conocer que para seleccionar la longitud de los filamentos
se aconseja comprender mínimo el doble del árido mayor en tamaño, la longitud
de esta debe ser la necesaria para proveer de la adherencia justa para la
matriz de hormigón y así evitar arrancamientos, es por esto por lo que
normalmente utilizar longitudes de 2,5 a 3 veces el tamaño del árido.
En cuanto a la elaboración con fibras de PET reciclado, se considera que
para su obtención el primer paso es recolectar una buena cantidad de botellas
de PET reciclado, envases sin superficie corrugada del cuerpo de la botella
para obtener las fibras de forma eficiente. Luego de adquirir los envases se
retiran las etiquetas (figura 2). Se procede a cortar las bases de las botellas
para obtener el cuerpo de esta, luego se las pasó por un cortador artesanal que
permite obtener cuerdas del cuerpo de la botella de 7mm para cortar secciones
de 40mm con espesor constante. Una vez realizado esto, se procede a lavarlas en
agua para retirar impurezas orgánicas. Para las dimensiones de la fibra de
plástico se consideró el estudio de Shamskia (2012), donde concluye que las
fibras con 40mm obtienen la mejor estabilidad en el concreto fresco y las
fibras largas conducen a un hormigón inestable en estado fresco (figura 3).
|
Figura 2 Plástico PET reciclado sin
etiqueta |
Figura 3 Plástico PET |
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|
Nota: Material PET previamente seleccionada. Fuente: Cobos Sáenz (2021 |
Nota: Material PET cortado en secciones. Fuente: Cobos Sáenz (2021) |
El peso específico del PET, afirma Guamán y Pinenla (2019), se muestran
en la figura 4 luego de ser ensayadas con gasolina, debido a que con el agua no
se pueden utilizar, por tratarse de fibras PET, se obtuvo 1.342gr/cm3.
Figura 4: Tabla sobre
el ensayo de peso para fibras de PET
Nota: Se describe una
tabla que se realizó en un estudio de análisis de las propiedades
físico-mecánicas de un hormigón elaborado con fibras recicladas de envases PET,
con y sin aditivo plastificante. Fuente: Guamán y Pinenla (2019).
En cuanto a la mezcla de hormigón, se requiere cumplir principios de
ingeniería civil como la resistencia, seguridad y durabilidad, es por ello por
lo que es necesario seguir el diseño de mezcla de hormigón. Se debe escoger los
elementos que conforman la matriz de hormigón, de acuerdo con sus
características y propiedades que sean acorde al diseño especificado. Para la
resistencia que se elabora en la presente investigación es de f’c= 210 kg/cm2,
con dosificación de 1:2:3.
Para la selección de porcentajes óptimos de fibras para especímenes de
hormigón, en los porcentajes de fibra de PET a analizar se considera el estudio
de Shamskia (2012), donde se evidencia que la mayor resistencia a la compresión
que se obtuvo fue con la adición de 0.5%.
Respecto a las fibras de acero, según Silva (2014), el porcentaje óptimo
de adición de estas fibras de acero para la resistencia a compresión es de
0.62%, estos dos porcentajes de fibras se hallan dentro de la norma ACI
544.1R-32 (Report on Fiber Reinforced Concrete), lo que significa que se
encuentra de acuerdo con las delimitaciones establecidas para la misma. Con
base a la bibliografía mencionada se seleccionan porcentajes de 0.5% y 1%
reemplazando parcialmente el agregado grueso.
Para la selección de fibras de acero, en el estudio experimental se
utilizan grapas de 25 x 3,80mm de acero para alambre de púas, tal como se
muestra en la figura 5, para reforzamiento de hormigón al ser estas de forma
similar a las fibras de acero comerciales y con dimensiones análogas a las de
las fibras elaboradas de PET reciclado.
Figura 5: Grapas de
acero
Nota: Grapas previamente
seleccionadas. Fuente: Cobos Sáenz (2021)
En relación a la elaboración de especímenes cilíndricos de concreto y
luego de establecer su dosificación se elaboran los cilindros de hormigón con
las mezclas establecidas donde se realiza un muestreo con los porcentajes 0.5%
y 1% de fibras de acero y de PET, para posteriormente proceder a realizar las
roturas de estos en los días 7, 14 y 28 en un total de 35 cilindros con moldes
de 10x20cm. Se utilizan moldes bajo las normas NTE INEN 1576 y la norma
internacional ASTM C31, con dimensiones de 100 mm x 200 mm, donde fue vertido
hormigón con fibras de acero en porcentajes de 0.5% y 1% así mismo hormigón con
fibras de PET reciclado con porcentajes de 0.5% y 1% y por último un hormigón
sin fibras de acero añadidas.
Dentro del proceso se procede a obtener los datos de asentamiento,
regido bajo la norma INEN 1578 para la determinación del revenimiento, la cual
consta de colocar la muestra de hormigón recién mezclado dentro de un molde de
cono trocado y compactar con varilla en tres capas. Luego se levanta el molde
dejando así que la mezcla de hormigón se asiente. Por último, se mide la
distancia entre la superficie de este, con la que obtuvo la mezcla
originalmente, este desplazamiento se conoce como el revenimiento del hormigón
(figura 6).
Figura 6: Mezcla en el molde
de cono trocado
Nota: Mezcla reciente de
hormigón en el cono troncado. Fuente: Cobos Sáenz (2021)
El promedio de los resultados obtenidos del ensayo de los diferentes
diseños se presenta en la tabla 1, a saber.
Tabla 1: Resultados de
asentamientos de los hormigones
|
Tipo de hormigón f’c= 210 kg/cm2 |
Asentamiento (cm) |
|
Hormigón convencional sin fibras |
5 |
|
Hormigón con fibras de PET reciclado 0.5% |
2.5 |
|
Hormigón con fibras de PET reciclado 1% |
1.5 |
|
Hormigón con fibras de acero 0.5% |
2 |
|
Hormigón con fibras de acero 1% |
1.5 |
Nota: Resultados con
diferentes fibras en diferentes porcentajes. Fuente: Cobos Sáenz (2021)
El revenimiento o asentamiento tiene relación con la trabajabilidad de
la mezcla de hormigón, lo que significa la facilidad y homogeneidad con la que
se coloca el concreto en una estructura, sin vacíos, fácil de cubrir la
armadura y de fácil compactación.
El proceso de elaboración de los especímenes cilíndricos inicia con el
llenado de concreto fresco previamente elaborado y posteriormente compactar en
capas con 25 golpes con la varilla de compactación de diámetro 10 + 2 mm.
Luego, se procede a golpear ligeramente con el mazo de goma para eliminar
burbujas de aire de la mezcla y se termina enrasando con la varilla de 3/8”.
Después de su fraguado, se desencofran los cilindros para situarlos en la
cámara de curado en agua potable que obedece a la norma NTE INEN 2528 y la
norma internacional ASTM C 511. El revenimiento o asentamiento tiene relación
con la trabajabilidad de la mezcla de hormigón, lo que significa la facilidad y
homogeneidad con la que se coloca el concreto en una estructura, sin vacíos,
fácil de cubrir la armadura y de fácil compactación.
El proceso de elaboración de los especímenes cilíndricos inicia con el
llenado de concreto fresco previamente elaborado y posteriormente compactar en
capas con 25 golpes con la varilla de compactación de diámetro 10 + 2 mm.
Luego, se procede a golpear ligeramente con el mazo de goma para eliminar
burbujas de aire de la mezcla y se termina enrasando con la varilla de ⅜”
(figura 7). Luego de su fraguado se
desencofran los cilindros para situarlos en la cámara de curado en agua potable
que obedece a la norma NTE INEN 2528 y la norma internacional ASTM C 511. Luego
de 24 horas del hormigonado, las probetas se desmoldan con cuidado para evitar
daños tanto del molde como del cilindro de hormigón, luego se procede a limpiar
la superficie para escribir el tipo de hormigón para su fácil identificación.
Después del proceso descrito se transportan con cuidado a la cámara de curado a
una temperatura de 20°C de forma que eviten el contacto entre sí (figura 8).
Los especímenes se mantienen dentro hasta su utilización para el ensayo
respectivo.
|
Figura 7 Elaboración de cilindros con fibras |
Figura 8 Curado de cilindros de hormigón |
|
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Nota: Elaboración de especímenes cilíndricos. Fuente: Cobos Sáenz (2021) |
Nota: Cámara de curado en agua potable e identificación. Fuente: Cobos Sáenz (2021) |
En cuanto a la ejecución y resultados de ensayos, se tiene que, el
ensayo de compresión simple de los especímenes de hormigón para conocer la
resistencia del hormigón según el porcentaje y el tipo de fibra tiene como
objetivo de conocer el comportamiento mecánico del hormigón según su diseño
para una resistencia de 210 kg/ cm2.
Las roturas deben obedecer a la normativa NTE INEN1573 y la norma
internacional ASTM C 39, que trata de ejercer fuerza axial sobre el espécimen
de hormigón hasta que este falle. Cada uno de los cilindros tienen dimensiones
de 100 mm de diámetro y con altura de 200 mm, con dosificaciones de 0.5% y 1%
de fibras de PET reciclado y fibras de acero para los días 7, 14 y 28, lo que
resultan 28 cilindros con fibras y 7 de hormigón tradicional.
El ensayo de tracción indirecta, también conocido como ensayo brasileño
(figura 9) se realizó en la prensa hidráulica para conocer la resistencia de
los hormigones reforzados con fibras, el mismo que consiste en someter los
especímenes de 28 días de edad a compresión diametral generando así una carga
uniforme por líneas generatrices opuestas hasta la falla de la probeta
cilíndrica. Respecto al ensayo a compresión simple (figura 10), la prensa
hidráulica ejerce la carga axial en cada cilindro sobre el área circular de
78.54 cm2 a velocidad constante de 0.25 MPa/s teniendo una curva de
esfuerzo-deformación sin contar con variaciones que puedan alterar los
resultados del ensayo (tabla 2).
|
Figura 9 Ensayo brasileño |
Figura 10 Ensayo de compresión simple |
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|
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Nota:
Prensa hidráulica para conocer la resistencia de los hormigones. Fuente:
Cobos Sáenz (2021) |
Nota: Prensa hidráulica donde se ejerce carga axial a los
cilindros. Fuente:
Cobos Sáenz (2021) |
Tabla 2: Ficha comparativa
Nota: Ficha en la que se
especifica los resultados del hormigón con fibras PET reciclado, el hormigón
con fibras de acero y el hormigón sin fibras, todos a los 7, 14 y 28 días.
Fuente: Cobos Sáenz (2021)
Como resultado, se evidencia un aumento o disminución de resistencia a
la compresión no solo según el tipo de fibra, sino además por el porcentaje que
se incluya en la matriz de hormigón. Un claro ejemplo de ello resulta en la
adición de fibras PET con adición de 1.0% y 0.5%, donde este último porcentaje
representa un aumento de 30% de resistencia a compresión en comparación con el
porcentaje más alto, es por ello, que la adición de fibras luego de alcanzar su
porcentaje óptimo, este empieza su resistencia empieza a disminuir.
Los resultados demuestran que el hormigón que alcanza mayor resistencia
es el hormigón reforzado con 0.5% de fibras de hacer, a diferencia de lo
alcanzado por el concreto con el 1.0% de fibras de PET que resultó estar muy
por debajo de lo esperado con un 108 kg/cm2.
De los resultados mostrados se logra observar que el hormigón sin fibras
obtiene la mayor resistencia a tracción indirecta seguido del hormigón con el
0.5% de fibras de PET recicladas y el hormigón con el 1.0% de fibras de acero.
Siendo estos dos porcentajes y tipos de fibras con mejores resultados y no tan
lejos del hormigón sin fibras, no se presenta una mejora dentro de esta
propiedad.
La resistencia a tracción indirecta del hormigón está estrechamente
relacionada al análisis de fisuras, torsión y evidentemente la flexión. Dentro
de los estudios de distintos autores, referenciados en la presente
investigación se muestra la mejora del hormigón frente a esfuerzos de flexión,
torsión y tracción indirecta, donde esta última resulta ser la mayor y sin
embargo dentro de los estudios obtenidos de la investigación experimental se
obtiene nula mejora en este campo. Sin embargo, al tratarse resistencia a la
compresión este si presenta mejora con la presencia de fibras de acero, lo que
permite notar la importancia las variables a considerar en la adición de fibras
al concreto como el porcentaje óptimo, forma, dimensiones y tipo de fibra.
Conclusiones
El
hormigón es conocido por su buena resistencia a la compresión, no obstante,
tiene falencias como su capacidad de soportar esfuerzos de torsión, flexión y
tracción y es por ello que se adicionan fibras que permitan reforzarlo para
estos esfuerzos y así evitar fisuras generadas por estos. Existen muchos tipos
de fibras, y dentro de las más comercializadas están las de acero que
comprenden un máximo control de grietas, el cual se logró evidenciar con las
vinchas de acero adicionadas a la matriz de hormigón. Por otra parte, el
utilizar fibras de PET parte de una necesidad con el medio ambiente de mitigar
la contaminación que los desperdicios de este producen, siendo una forma para
aprovechar sus buenas propiedades mecánicas, gran resistencia al desgaste y lo ligero
que resulta ser.
En
los resultados a compresión obtenidos mediante los ensayos de laboratorio se
pudo mostrar la mejora que representaba adicionar las fibras de acero con el
0.5% , sin embargo el desempeño de las fibras de PET reciclado estuvo muy por
debajo de lo esperado. Por otro lado, en el ensayo de tracción indirecta el
hormigón reforzado con fibras no adquirió aumento de resistencia a los
esfuerzos.
A
pesar de no valorar experimentalmente, los esfuerzos a flexión en la presente
investigación, con el bajo desempeño de las fibras de acero y fibras de PET en
los especímenes sometidos a la prensa hidráulica se concluye que tampoco
presentarían correcto refuerzo ya que en caso de presentar mejoras estas serían
inapreciables en la resistencia del hormigón al ser estas evaluadas bajo las
mismas condiciones.
Por
otro lado, debido a las distintas variables que comprenden las fibras para
reforzamiento de hormigón, se sugiere realizar estudios profundizados para la
determinación de las dimensiones y porcentaje óptimo de fibras para alcanzar
los resultados deseados en el concreto. Asimismo, añadir variables como el
direccionamiento de las fibras dentro de la matriz de hormigón realizando un
análisis de su relación con la resistencia de este. Por último, se sugiere, en
caso de obtener resultados positivos en cuanto a la mejora de las propiedades
del hormigón realizar un análisis de costos que se presente como opción al
hormigón tradicional.
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