EVALUACIÓN DE RESINAS EPÓXICAS EN REFUERZOS EXTERNOS APLICADAS MEDIANTE PROCESO DE VACÍO EN VIGAS DE CONCRETO. RESUMEN ABSTRACT ANTECEDENTES

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1 EVALUACIÓN DE RESINAS EPÓXICAS EN REFUERZOS EXTERNOS APLICADAS MEDIANTE PROCESO DE VACÍO EN VIGAS DE CONCRETO. Padilla Ramirez Amando 1,Flores Bustamante Antonio 2 y Panamá Armendariz Iván 3 RESUMEN Se analiza el efecto de la adhesión y propiedades mecánicas de dos tipos de resinas epóxicas en el reforzamiento externo con fibra de vidrio sobre vigas de concreto. Las características adhesivas influyen en los mecanismos de transferencia de carga entre el refuerzo de fibra de vidrio-resina (PRF) y el concreto, al igual que de las propiedades mecánicas del laminado de PRF. Los resultados obtenidos muestran que el incremento de la capacidad de carga y las propiedades a flexión de la viga reforzada se pueden atribuir a las mejores propiedades a tensión del laminado y no tanto a la adherencia lograda con el sustrato. ABSTRACT This document presents the effect of adhesion and mechanical properties of two types of epoxy laminates with glass fiber in the external reinforcement of concrete structures. Adhesives characteristics have effect in the load transfer between FRP and surfaces concrete. FRP mechanical properties have also a great effect on beam reinforcing. Results in this case, shown increasing load capacity and flexural properties of reinforced beams depends more of laminate mechanical properties than adhesion between resin and concrete. ANTECEDENTES En la rehabilitación y en el reforzamiento externo de estructuras de concreto mediante elementos de PRF (plásticos reforzados con fibras), resulta importante el grado de adherencia de las fibras y la resina sobre la superficie de concreto. Las características adhesivas influyen en los mecanismos de transferencia de carga entre el refuerzo de fibra de vidrio-resina (PRF) y el concreto, es decir, el comportamiento de las estructuras de concreto reforzadas depende de la integridad de la unión (Chajes 1996, De Lorenzis 21). Por lo anterior resulta importante determinar la resistencia adhesiva de los refuerzos de PRF en concreto, mediante el método de pull out. Ensayos similares han sido empleados por diversos investigadores con resultados confiables (Yaoa 24). Por otro lado, el reforzamiento también depende de las propiedades mecánicas del laminado de PRF, por lo que en este trabajo se evalúan las propiedades mecánicas de los dos tipos de laminados de PRF. La Norma del ACI 44.2R- (ACI 1999), así como otras publicaciones orientadas al diseño de reforzamiento externo de Profesor investigador, Departamento de Materiales UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No 18, Col Reynosa Tamaulipas 22 México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55) ; ajpr@correo.azc.uam.mx Profesor investigador, Departamento de Materiales UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No 18, Col Reynosa Tamaulipas 22 México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55) ; jfb@correo.azc.uam.mx Profesor investigador, Departamento de Materiales UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No 18, Col Reynosa Tamaulipas 22 México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55) ; mipa@correo.azc.uam.mx 1

2 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 29 estructuras de concreto (Kelly 1997, MBrace 1998) 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. De aquí, que el objetivo del presente trabajo haya sido determinar experimental la adherencia y el comportamiento a flexión de vigas reforzadas externamente con fibras de vidrio y dos tipos de resina epóxica. PARTE EXPERIMENTAL A fin de evaluar el efecto de dos tipos de resinas epóxicas que se denominan Resina A y Resina B, se definieron las siguientes variables: El tipo refuerzo La mezcla de concreto (resistencia a la compresión del concreto y revenimiento) Las dimensiones y armado de la viga. La forma de aplicación del refuerzo Materiales Empleados. Para la elaboración de las vigas se empleo: Cemento tipo CPO (cemento Pórtland ordinario) marca Cruz Azul. Agregados finos y gruesos de la región de la Ciudad de México. Varillas del No. 3 para refuerzo longitudinal, se propuso un arreglo 2 varillas. Para el sistema del laminado de refuerzo externo (FRP) se seleccionó como refuerzo un tejido a base de fibra de vidrio y dos resinas epóxicas, cuyas características se definen a continuación: Fibra de vidrio Tipo E en forma de tejido denominado petatillo con un gramaje de 6 gr/m2 Resina epóxica A, de dos componentes con una relación de 9:1 en volumen Resina epóxica B de dos componentes en relación 3:1 en peso Diseño del concreto Se consideró obtener un revenimiento de 18, usando grava tamaño nominal 4 y con una resistencia a la compresión de 25 kg/cm 2. La Tabla 1, muestra la dosificación propuesta para el concreto, al igual que la absorción de agua de los agregados, a fin de hacer las correcciones en base al contenido de humedad de los agregados en el momento de elaborar el concreto. MATERIALES Tabla 1. Dosificación calculada para el concreto Volumen (litros) Peso específico (Kg/dm 3 ) Peso Volumétrico seco y suelto Psss (Kg/m 3 ) CEMENTO Absorción de agua. (%) GRAVA 456 2, ARENA 245 1, AGUA AIRE TOTAL

3 Diseño de las Vigas. El trabajo experimental se centro en evaluar a flexión vigas de concreto armado con dos varillas del No.3. y dos peraltes distintos (1 y 15cm). Las dimensiones de las vigas fueron 6 x 15 x 15 y 6 x 15 x 1cm. Los dibujos en la Figura 1, muestran esquemáticamente las dimensiones y armado de las vigas Fig. 1. Diseño de la viga con peralte de 1 y 15 cm. Armadas con dos varillas 3/8, colocadas a 2cm de la base inferior Todas las dimensiones están expresadas en centímetros 6 Las vigas fueron posteriormente reforzadas externamente por un laminado a base de resina epóxica y tejido de fibra de vidrio, tal como se muestra en el Figura. 2 REFUERZO EXTERNO Fig. 2 Colocación del refuerzo externo en la viga de concreto. Diseño de los elementos de refuerzo externo (PRF) El refuerzo externo consistió en una capa de fibra de vidrio (petatillo) impregnada con resina epóxica en una relación 1:1 en peso. Los laminados de refuerzo se fabricaron mediante el proceso de vacío para ser representativos del método de aplicación en el elemento de concreto como se muestra en la Figura 3. El método evita también que la presión varíe al hacer el proceso de manera manual. Fig. 3. Aplicación de la resina sobre la fibra de vidrio y el sistema del proceso de vacío 3

4 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 29 MÉTODOS DE ENSAYOS Y PRUEBAS A) Ensayos de compresión del concreto (esclerómetro) Con el fin de verificar si el concreto empleado cumple con las especificaciones de diseño se realizaron ensayos de comprensión de acuerdo a al Norma NOM-MNX-C-19-ONNCE-24. De manera paralela se llevaron a cabo determinaciones no destructivas de la resistencia a la compresión en las vigas empleando un esclerómetro. El método y equipo empleado se muestra en la Figura 4 Fig.4. Las fotografías muestran el equipo y la forma en que se realiza la medición empleando el esclerómetro La determinación de la resistencia a la compresión mediante esclerómetro reporto de 242 a 249 kg/cm2 para los diferentes lotes de vigas elaborados con las respectivas bachadas. Los valores individuales se reportan en la Tabla 2. Tabla 2 Resistencia a al compresión del concreto mediante mediciones con esclerómetro en las vigas y por compresión en cilindros. Resistencia a la compresión (f'c) en kg / cm 2 Determinación puntual por esclerómetro Lote 1 Lote 2 Lote 3 Lote Promedio por esclerómetro 249,81 249,11 247,28 242,42 Promedio ensayo compresión en cilindros

5 B) Ensayo a flexión de vigas Las vigas, tanto testigos como reforzadas son ensayadas a flexión en cuatro puntos, tal como se muestra el esquema en la Figura 5 15 CARGA 45 Fig. 5. Representación esquemática ensayo a flexión en cuatro puntos C) Ensayo a tensión de las probetas de los laminados Las características mecánicas del laminando de PRF que se emplearon en el reforzamiento de las vigas, fueron determinadas mediante ensayos de tensión uniaxial de acuerdo a la Norma ASTM D 638. Se ensayaron 5 probetas de cada laminado. Los ensayos del laminado fibra de vidrio - resina epóxica, se llevaron a cabo en una maquina Instron (véase Figura 6) a una velocidad de deformación de 1 mm/min. Fig. 6 Maquina Instron empleada en los ensayos de tensión de las probetas correspondientes al laminado usado como refuerzo externo (PRFV) D) Procedimiento del ensayo de adherencia (pull out) La adherencia del refuerzo externo a la superficie del concreto se determinó mediante ensayos de pull out, que es un método muy usado para comparar el grado de adhesión. Este método consiste en tratar de separar el 5

6 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 29 laminado de PRF del sustrato de concreto mediante un ensayo de tensión, tal y como lo muestra esquemáticamente el dibujo en la Figura 7. Fuerza aplicada Unión ensayada Laminado PRF Concreto Fig. 7 Representación esquemática del método de pull out para determinar la adherencia entre el PRF y el sustrato de concreto. Las fotografías en el Figura 8, muestran el equipo de pull out y el equipo de extracción de corazones. La mecánica de preparación de las muestras para el ensayo de pull out, consistente en realizar una ranura circular de 2cm de profundidad en las vigas (con el equipo de extracción de corazones) sobre la cara en que esta adherida el tejido de fibra de vidrio. Posteriormente se adhieren las platinas sobre la superficie de fibra de vidrio usando una resina epóxica. Finalmente, empelando el equipo de pull out se procede a aplicar una fuerza de tensión con el fin de desprender el laminando de PRF del sustrato de concreto. Este procedimiento se muestra gráficamente en las fotografías de la Figura 9. Fig.8. Equipo para ensayo de pull out y equipo de extracción de corazones para realizar una ranura circular de 2cm de profundidad 6

7 A B C D E Fig. 9. Secuencia de preparación y ensayo de pull out. a) Ranuras realizadas con el equipo de extracción de corazones; b) Aplicación de resina para adherir las platinas metálicas sobre el PRF; c) Colocación de las platinas; d) Ensayo de pull out; e) Desprendimiento de las muestras por pull out RESULTADOS Comportamiento y tipo de falla. Ensayos a flexión externamente de vigas testigo y reforzadas En todas las vigas, al inicio 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 1). En el caso de las vigas reforzadas, el 7

8 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 29 comportamiento es diferente, observándose en la parte superior de la viga agrietamiento por el aplastamiento generada por los apoyos de la carga. Fig. 1 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. La Figura 11 muestra las curvas características del ensayo a flexión de las vigas testigo, tanto con peralte de 15 como de 1cm. En ambas se observa la ruptura frágil al alcanzarse el valor máximo de carga. La falla se produce con una carga de valor medio del orden de 5,5Kg. en la viga con peralte de 1cm y 12,Kg. con peralte de 15cm. Sin embargo cuando se transforma la carga a resistencia a la flexión las curvas prácticamente se empalman. Carga Kg 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2, Peralte 15 cm Peralte 1 cm Deformación mm Resistencia a la flexión Kg/cm Peralte 15 cm Peralte 1 cm Deformación mm Fig. 11 Curvas típicas carga deformación (lado izquierdo) y resistencia a la flexión contra deformación (lado derecho) de las vigas testigo del ensayo a flexión Por otro lado, las gráficos en la Figura 12 corresponden a los gráficos típicos de las curvas carga deformación y resistencia a la flexión deformación de las vigas testigo y reforzadas con fibra de vidrio, para el peralte de 15cm. De igual manera las gráficos en la Figura 13 l corresponden a los gráficos típicos de las curvas carga 8

9 deformación y resistencia a la flexión deformación de las vigas testigo y reforzadas con fibra de vidrio, para el peralte de 1 cm. Para ambos peraltes, se observa un incremento de la resistencia mecánica con el reforzamiento. Particularmente la resina A es la que permite obtener las mayores propiedades. 16, Peralte 15 cm 2 Peralte 15 cm Carg a Kg 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2, Testigo Resina B Resina A Deformación Resistencia a la Flexión kg /cm Testigo Resina B Resina A Deformación mm Fig. 12. Gráficos correspondientes al ensayo de flexión de vigas con 15cm de peralte, tanto de testigos como reforzadas. Lado izquierdo gráfico carga deformación, lado derecho gráfico resistencia a la flexión deformación. La viga reforzada con fibra de vidrio y resina A muestra la mayor resistencia mecánica 7, Peralte 1 cm 2 Peralte 1 cm Carg a kg 6, 5, 4, 3, 2, 1, Testigo Resina A Resina B Resistencia a la Flexicón kg /cm Testigo Resina A Resina B Deformación mm Deformación mm Fig. 13. Gráficos correspondientes al ensayo de flexión de vigas con 1 cm de peralte, tanto de testigos como reforzadas. Lado izquierdo gráfico carga deformación, lado derecho gráfico resistencia a la flexión deformación. La viga reforzada con fibra de vidrio y resina A muestra la mayor resistencia mecánica 9

10 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 29 Los gráficos anteriores de las Figuras 12 y 13, también muestran que la resistencia a la flexión es prácticamente similar e independientemente del peralte de la viga. La variación entre los valores de resistencias a la flexión entre las vigas de 1 y 15cm de peralte es del orden del 2 al 5 %, a pesar que la capacidad de carga es ligeramente mayor al doble en la viga de 15cm de peralte que en las vigas de 1 cm de peralte (Véase Figura 14). El incremento de la capacidad de carga y de la resistencia a al flexión en las vigas varía de un 6 al 12% dependiendo el tipo de resina para las vigas tanto de 1 como de 15cm de peralte. Esto se muestra gráficamente en la Figura PERALTE DE 15 CM PERALTE DE 1 CM 185 Resistencia a la flexión kg/cm Testigo 15 Resina B Resina A Testigo 1 Resina B Resina A Fig. 14 Resistencia media a la flexión de las vigas testigo y las vigas reforzadas con fibra de vidrio y las correspondientes resinas epóxicas A y B Por otro lado, de los gráficos de las Figuras 12 y 13 se observa un aumento de la pendiente inicial de la curva de las vigas reforzadas en relación a al viga testigo, los 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 3 al 5% dependiendo del tipo de resina. Valores que son superiores al incremento en la capacidad de carga. (Véase la Figura 15). Resulta interesante observar que los mayores incrementos en la rigidez se dan en las vigas con peraltes de 1cm. 25, PERALTE 15 CM PERALTE 1 CM 2, Modulo elástico kg/cm2 15, 1, 5, Testigo 15 Resina B Resina A Testigo 1 Resina B Resina A Fig. 15 Módulo elástico a la flexión de las vigas testigo y las vigas reforzadas con fibra de vidrio y las correspondientes resinas epóxicas A y B 1

11 Una de las razones por la que la resina A permite un mayor incremento en la capacidad de carga como en el módulo elástico se puede atribuir a que las propiedades mecánicas a tensión del laminado. Hay que hacer notar que tanto el laminado elaborado con la resina A como con la resina B tuvieron prácticamente los mismos espesores, tal y como se muestra en la Tabla 3. Estos laminados se elaboraron por vacío para evitar variables de proceso manual Tabla 3 Ancho y espesor de las probetas elaboradas con resina A y resina B. Resina Epóxica A Fibra de Vidrio Resina Epóxica B Fibra de Vidrio Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) Particularmente los laminados elaborados con la resina epóxica A fueron los que presentaron tanto la mayor resistencia a la tensión como el mayor módulo elástico. La resistencia a la tensión es dos veces mayor y l el módulo aproximadamente 3 veces mayor en los laminados con resina A con respecto a los laminados elaborados con resina epóxica B. Esto datos se reportan en las Tablas 4 y 5. Tabla. 4 Propiedades mecánicas a tensión de los laminados fibra de vidrio Resina epóxica B Muestra Resistencia a la Tensión MPa Deformación a la fractura % Módulo elástico MPa B ,749 B ,272 B ,423 B ,64 B ,657 Promedio ,941 Tabla 5 Propiedades mecánicas a tensión de los laminados fibra de vidrio Resina epóxica A Muestra Resistencia a la Tensión MPa Deformación a la fractura % Módulo elástico MPa A ,723 A ,135 A ,166 A ,51 A ,1 Promedio ,127 11

12 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica Puebla, Puebla, 29 Por otro lado, los ensayos de adherencia del laminado sobre la superficie de concreto (viga) en función del tipo de resina epóxica, varían en un rango de 1,5 a 1,7 libras fuerza, sin que se observe un diferencial importante de los valores de adherencia entre los dos tipos de resinas. En base de estos resultados, no se puede atribuir efecto alguno del grado de adherencia en las propiedades mecánicas de las vigas reforzadas con los laminados resina epóxica fibra de vidrio. Tabla. 6 Resultados de adherencia usando resina dos tipos de resina epóxica Fuerza lb-f PROBETA Resina B Resina A 1 1,6 1,6 2 1,48 1,4 3 1,8 1,8 4 1,6 1,5 5 1,8 1, ,65 1,49 7 1,6 1,7 Promedio 1,647 1,59 CONCLUSIONES Los incrementos en la capacidad de carga, así como en la rigidez en las vigas reforzadas contra el testigo fueron del 11% y 54% usando resina epóxica A, mientras que con la resina epóxica B los incrementos fueron más moderados logrando solo un 6% y 43% respectivamente. En referencia a la resistencia adhesiva entre los dos tipos de resinas epóxicas y la superficie de concreto, los valores observados fueron muy similares, por lo que no se puede inferir que la diferencia en la capacidad de carga de las vigas reforzadas sea debido al grado de adhesión. Sin embargo, el incremento en la capacidad de carga de las vigas reforzadas, se puede atribuir en este caso, a las propiedades mecánicas de los laminados. Particularmente, la resistencia a la tensión y el módulo elástico de los laminados con resina epóxica A es superior alrededor de un 1% a los valores observados en los laminados elaborados con la resina epóxica B, lo cual concuerda con los incrementos señalados anteriormente. CITAS, REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA American Concrete Institute Committee 44 (1999). "Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures". 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 De Lorenzis, L., B. Miller, And A. Nanni, (21) "Bond of FRP Laminates to Concrete", ACI Materials Journal, Vol. 98, No. 3, May -June 21, pp Kelly, PL. Brainerd, M. L. Vatovec, M (1997) Sika CarboDure & Sikawrap Design Guideline Sika Corporation, Lyndhurst, NJ. MBrace (1998), Composite Strengthening System Engineering Design Guidelines, Second Edition, (1998). Master Builders Inc., and Structural Preservation Systems. 12

13 Yaoa J,. Teng J.G and. Chenc J.F (24), Experimental study on FRP-to-concrete bonded joints, Composite Part B: Engineering Vol. 36, No.2, March 25, pg