EVALUACIÓN DE PROPIEDADES ADHESIVAS Y MECÁNICAS DE LAMINADOS EPÓXICOS FIBRA DE VIDRIO COMO REFUERZOS EXTERNOS EN VIGAS DE CONCRETO.

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1 EVALUACIÓN DE PROPIEDADES ADHESIVAS Y MECÁNICAS DE LAMINADOS EPÓXICOS FIBRA DE VIDRIO COMO REFUERZOS EXTERNOS EN VIGAS DE CONCRETO. Amando Padilla Ramirez, Antonio Flores Bustamante e Iván Panamá Armendariz Departamento de Materiales, UAM Azcapotzalco Tel Resumen Se evaluaron el empleo de dos tipos de resinas epóxicas comerciales (A y B) con fibra de vidrio en el reforzamiento externo vigas de concreto. Se evaluó particularmente el grado de adherencia entre la resina y la superficie de concreto, y la resistencia mecánica del laminado. Como se sabe, las características adhesivas de las resinas influyen en los mecanismos de transferencia de carga entre el refuerzo de fibra de vidrio-resina (FRP) y el concreto. Por otro lado, las propiedades mecánicas del laminado de FRP afectan también el grado de reforzamiento. Los resultados obtenidos muestran que la capacidad de carga y las propiedades a flexión de la viga reforzada se puede atribuir, en este estudio, más a las propiedades a tensión del laminado, ya que la adherencia lograda con el sustrato de concreto es prácticamente la misma para ambos tipos de resinas epóxicas. Introducción En la rehabilitación y en el reforzamiento externo de estructuras de concreto mediante elementos de FRP ( fiber reinforced plastic o plásticos reforzados con fibras ), resulta importante el grado de adherencia de las fibras y la resina sobre la superficie de concreto, ya que influyen en los mecanismos de transferencia de 117

2 carga entre el refuerzo de fibra de vidrio-resina (FRP) y el concreto, y por lo tanto el comportamiento de las estructuras de concreto reforzadas depende de la integridad de la unión [1, 2]. Por lo anterior resulta importante determinar la resistencia adhesiva de los refuerzos de FRP en concreto, mediante el método de pull out. Ensayos similares han sido empleados por diversos investigadores con resultados confiables [3]. Por otro lado, el reforzamiento también depende de las propiedades mecánicas del laminado de FRP, por lo que se evalúan las propiedades mecánicas de los dos tipos de laminados de FRP. Existen normas, como la Norma del ACI 440.2R-0 [4], así como otras publicaciones orientadas al diseño de reforzamiento externo de estructuras de concreto [5, 6], que señalan las directrices para evitar la falla por adherencia entre el FRP y el elemento reforzado. Las directrices incorporan un factor de reducción adicional en las ecuaciones de diseño para llegar a límite de deformación a fin de prever la delaminación (desprendimiento del refuerzo) y con esto evitar que deje de funcionar el refuerzo externo como tal. Objetivo De aquí, que el objetivo del presente trabajo haya sido determinar experimentalmente la adherencia y la resistencia mecánica de los laminados a base de resina epóxica A y B; y correlacionar los valores correspondientes con el comportamiento a flexión de vigas reforzadas externamente con fibras de vidrio y los dos tipos de resina epóxica. Materiales Los materiales empleados como refuerzos externos de las vigas de concreto fueron: dos resinas comerciales epóxicas y fibra de vidrio tipo E en forma de petatillo de 600 gramos/m

3 La resina comercial A es una resina de dos componentes, libre de solventes, con una relación de mezcla de 9:1 en volumen. La resina comercial B también es una resina de dos componentes libre de solventes con una relación de mezcla de 3:1 en peso. La relación resina epóxica fibra de vidrio fue de 1:1 para ambas resinas. Metodología Ensayos mecánicos a flexión El trabajo experimental se centro en evaluar a flexión (en cuatro puntos) vigas de concreto armado con dos varillas del No. 3. Las dimensiones de las vigas fueron 60 x 15 x 10. El concreto empleado se diseño para una resistencia a la compresión de 250kg/cm 2. Las vigas fueron posteriormente reforzadas externamente por un laminado a base de una capa de tejido de fibra de vidrio (petatillo) impregnada con resina epóxica (A ó B) en una relación 1:1 en peso, tal como se muestra en el Figura cm 15 cm Varillas 3/8 60 cm Refuerzo una capa de petatillo y resina epóxica Fig. 1. Diseño de la viga con peralte de 15 cm. reforzada externamente con una capa de fibra de vidrio (petatillo) y resina epóxica Ensayos de resistencia a la tensión Las características mecánicas de los laminados de FRP que se emplearon en el reforzamiento de las vigas, fueron determinadas mediante ensayos de tensión 119

4 uniaxial de acuerdo a la Norma ASTM D 638 en una maquina Instron (véase Figura 2) a una velocidad de deformación de 1 mm/min. Fig. 2 Maquina Instron empleada en los ensayos de tensión de las probetas correspondientes al laminado usado como refuerzo externo (FRPV) Ensayos de adherencia Los ensayos de adherencia entre refuerzo externo y la superficie del concreto se determinaron mediante la prueba de pull out, que permite comparar el grado de adhesión. Este método consiste en tratar de separar el laminado de FRP del sustrato de concreto mediante un ensayo de tensión, tal y como lo muestra esquemáticamente el dibujo en la Figura 3, conjuntamente con la fotografía del equipo empleado. Fuerza aplicada Unión ensayada Laminado PRF Concreto Fig. 3 Representación esquemática del método de pull out para determinar la adherencia entre el FRP y el sustrato de concreto. A la derecha Equipo para ensayo de pull out. 120

5 Resultados A) Comportamiento y tipo de falla. Ensayos a flexión de vigas testigo y reforzadas externamente Al inicio en el ensayo a flexión, aparecen un cierto número de fisuras y grietas, las cuales conforme aumenta la carga empiezan a crecer. Las primeras en aparecer son las grietas de flexión que al aumentar la carga es absorbida por el acero. Debido a la construcción de la viga, las fallas principales que se generan son por tensión diagonal, las cuales se caracterizan por su aparición y rápido crecimiento y son las causantes de la falla de la estructura de concreto. Esto se observó en el ensayo de las vigas testigo, que al llegar a esta condición se produce la fractura total de la viga (véase Figura 4). En el caso de las vigas reforzadas, el comportamiento es diferente, observándose en la parte superior de la viga agrietamiento por el aplastamiento generada por los apoyos de la carga. - Conclusiones - Bibliografía Fig. 4. Ensayo de flexión de viga testigo, lado izquierdo donde se observa las fallas de tensión diagonal. Del lado derecho, viga reforzada externamente en la que también se desarrolla este tipo de falla pero es contrarrestada por el refuerzo. 121

6 Al graficar las curvas características del ensayo a flexión de las vigas testigo y reforzadas externamente, tal y como se muestra en la Figura 5, se observa una ruptura frágil al alcanzarse el valor máximo de carga en todos los casos. Las fallas se producen en el rango de 5,000 kg a 6,500 kg, correspondiendo el mayor valor a la viga reforzada con fibra de vidrio y la resina epóxica A ; seguida por las vigas reforzadas externamente con fibra de vidrio y resina epóxicas B. Estos datos muestran un efecto positivo en el reforzamiento de la viga testigo. Transformando la curva carga deformación en términos de resistencia a la flexión contra deformación, los valores máximos se observan de 150 a 170 kg/cm 2 (véase Figura 6). El incremento de la resistencia a la flexión por efecto del reforzamiento es de un 6 y 11% cuando se emplea la resina epóxica B y A respectivamente. Por otro lado, en los gráficos de las Figuras 5 y 6, se observa un aumento de la pendiente inicial de la curva de las vigas reforzadas en relación a al viga testigo, lo que indica un incremento en la rigidez del elemento (viga), es decir, se incrementa el módulo elástico. El incremento de la rigidez es del orden del 45 al 60% para los refuerzos con resina epóxica B y A respectivamente Con el fin de tener una mayor visualización del efecto del reforzamiento externo a base de estas dos tipos de resinas en las vigas de concreto, en las Figuras 7 y 8 se presentan los valores promedios de resistencia a la flexión y módulo elástico, observados en las vigas testigo y reforzadas con las resinas epóxicas A y B. 122

7 7,000 Peralte 10 cm 6,000 5,000 Carga kg 4,000 3,000 2,000 Testigo Resina A Resina B 1, Deformación mm Fig. 5. Curvas típicas carga deformación del ensayo de flexión en vigas testigo y reforzadas 200 Peralte 10 cm Resistencia a la Flexión kg/cm Testigo Resina A Resina B Deformación mm Fig. 6. Curvas típicas resistencia a la flexión deformación del ensayo de flexión en vigas testigo y reforzadas 123

8 190.0 Peralte de 10 cm Resistencia a la flexión kg/cm Testigo 10 Resina B Resina A Fig. 7. Valores promedios de resistencia a la flexión observados en las vigas testigo y reforzadas con las resinas epóxicas A y B. 25,000 20,000 Módulo elástico Kg/cm2 15,000 10,000 5,000 0 Testigo 10 Resina B Resina A Fig. 8. Valores promedios del módulo elástico, observados en las vigas testigo y reforzadas con las resinas epóxicas A y B. 124

9 B) Ensayos de pull out y determinación de las propiedades mecánicas de los laminados fibra resina epóxica. Correlación con el comportamiento a la flexión de las vigas reforzadas A fin de tratar de explicar la diferencia de los dos tipos de resinas epóxicas empleadas, en la capacidad de reforzamiento, se evaluó primeramente la adherencia de ambos tipos de resinas y la superficie de concreto mediante ensayos de pull out. Los resultados obtenidos, mostrados en la Tabla 1, no indican una diferencia notoria entre ambos tipos de resinas epóxicas. Además, la falla adhesiva se da en el concreto con ambos tipos de resinas. Esto indica una buena adherencia en la interfase resina fibra concreto. Estos datos implicarían que la transferencia de esfuerzos son muy similares en ambos sistemas resina fibra y la superficie del concreto. Tabla 1. Valores del ensayo de adherencia (pull out) para los dos tipos de resinas epóxicas en libras fuerza Promedio Resina B 1,600 1,480 1,800 1,600 1,800 1,650 1,600 1,647 Resina A 1,600 1,400 1,800 1,500 1,645 1,490 1,700 1,590 Como se mencionó en la metodología, también se evaluaron las propiedades mecánicas a tensión de los laminados fibra de vidrio con los dos tipos de resinas epóxicas. En este caso, se encuentran notorias diferencias entre los dos tipos de laminados, tal y como lo muestra los datos reportados en la Tabla

10 Tabla 2. Propiedades promedio de los laminados elaborados a base de una capa de petatillo e impregnados con la resina epóxica A y resina epóxica B Resina Resistencia a la Tensión (MPa) Deformación a la fractura (%) Módulo elástico (MPa) A ,127 B ,941 Así, los laminados a base de resina epóxica A, ofrecen una resistencia a la tensión superior en casi un 100% con respecto a los laminados con resina epóxica B. De igual forma el módulo elástico es superior en alrededor de 2 veces. Este resultado es concordante con el grado de reforzamiento de las vigas de concreto, en el sentido que las vigas reforzadas con la resina epóxica A provocan un mayor incremento de la capacidad de carga y de la rigidez de la viga de concreto. También, es interesante hacer notar que la capacidad de deformación de los laminados con la resina A es superior a la mostrada por los laminados con resina epóxica B. Conclusiones En base a los resultados obtenidos en el incremento en la capacidad de carga de las vigas reforzadas externamente; de la resistencia a la adherencia entre los dos tipos resina y el concreto y de las propiedades mecánicas de cada tipo de laminado (en base al tipo de resina), se puede inferir en este caso, que las propiedades mecánicas de los laminados son las responsables de mayor o menor incremento en la capacidad de carga de las vigas reforzadas externamente, ya que la adherencia observada entre ambas tipos de resinas y la superficie de concreto es muy similar. Por otro lado, una ventaja adicional de la resina epóxica A puede ser la mayor capacidad de deformación que ofrece antes de fallar, ya 126

11 que esto puede favorecer un comportamiento plástico de las estructuras de concreto. Bibliografía [1] Chajes, M.J.; Finch, W.W.Jr.; Januszka, T.F.; and Thomson, T.A. (1996). "Bond and Force Transfer of Composite Material Plates Bonded to Concrete", ACI Structural Journal,ACI, Vol. 93, No. 2, pp [2] De Lorenzis, L., B. Miller, And A. Nanni, (2001) "Bond of FRP Laminates to Concrete", ACI Materials Journal, Vol. 98, No. 3, May -June 2001, pp [3] Yaoa J,. Teng J.G and. Chenc J.F (2004), Experimental study on FRP-toconcrete bonded joints, Composite Part B: Engineering Vol. 36, No.2, March 2005, pag [4] American Concrete Institute Committee 440 (1999). "Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures". [5] Kelly, PL. Brainerd, M. L. Vatovec, M (1997) Sika CarboDure & Sikawrap Design Guideline Sika Corporation, Lyndhurst, NJ. [6] MBrace (1998), Composite Strengthening System Engineering Design Guidelines, Second Edition, (1998). Master Builders Inc., and Structural Preservation Systems. 127