RUREDIL Via B. Buozzi 1-20097 San Donato Milanese

1 RUREDIL Via B. Buozzi 1-20097 San Donato Milanese Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Nuevos Desarrollos - Ruredil X Mesh Gold Mallas de elevado rendimiento mecánico realizadas con fibra de Poliparafenilen benzobisoxazol (PBO) con matriz inorgánica estabilizada para refuerzo estructural del hormigón. Dirección Técnica Octubre 1 2006

2 Introducción Ruredil ha sido la primera empresa del mundo que ha estudiado, fabricado, patentado y comercializado un material composite fibroreforzado en el cual la resina epoxy ha sido reemplazada por un material inorgánico estabilizado (mortero de cemento) como ligante entre la fibra de carbono y el sustrato de hormigón o mampostería. Aparte de esta novedosa línea de investigación destinada a realizar nuevos sistemas FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), Ruredil ha desarrollado un composite estructural de matriz inorgánica estabilizada denominado RUREDIL X MESH GOLD compuesto por una malla de fibra de Poliparafenilen benzobisoxazol (PBO). Dicho composite se caracteriza por el elevado rendimiento mecánico que puede ser comparado con el de los FRP tradicionales realizados con fibra de carbono y ligante epoxídico. En el presente documento se describen las características químico-físicas y el rendimiento mecánico del nuevo FRCM, realizando además una comparación con el CFRP tradicional (carbon fiber reinforced polimer). Por otra parte, se ilustran los resultados obtenidos en las pruebas de calificación del nuevo composite realizadas en el IUAV de Venecia. Finalmente, se ha presentado una solicitud de patente internacional. Patent pending. 2

3 1- Propiedades físicas y mecánicas de las fibras PBO Las fibras de PBO pertenecen a la nueva generación de super fibras que poseen módulo de elasticidad doble y mayor resistencia que las fibras aramídicas. Con respecto a estas últimas fibras, el PBO posee una temperatura de descomposición superior de 100 C A continuación se pueden observar en la siguiente tabla las principales características de las fibras PBO. Densidad (g/cm3) 1,56 Resistencia a la tracción (GPa) 5,8 Módulo de elasticidad (GPa) 270 Alargamiento de rotura (%) 2,1 Temperatura de descomposición ( C) 650 Coeficiente de dilatación térmica (10-6 C -1 ) - 6 2- Propiedades mecánicas: comparación con otras fibras estructurales Se realizó una comparación entre las propiedades mecánicas de la fibra PBO con aquellas fibras que se utilizan normalmente en los FRP (ver Tabla 2). La comparación demuestra que el PBO tiene un módulo de elasticidad normal de 270 Gpa que puede ser comparado con el de una fibra de carbono (240-270 GPa) pero con una resistencia a la tracción mucho más elevada, es decir 5,8 GPa comparada con la del carbono que es de 4,1 GPa (figura 1). Dichas propiedades mecánicas combinadas con un particular mecanismo de adhesión entre la fibra y el ligante inorgánico explican el elevado rendimiento del "composite" FRCM aplicado como refuerzo de las estructuras de hormigón armado. Comparación entre propiedades mecánicas de PBO con las de otros tipos de fibras - Tabla 2 Tipo de fibra Resistencia a la tracción (MPa) Módulo elasticidad (GPa) Deformación de rotura (%) Densidad (g/cm 3 ) Resisten cia al calor ( C) PBO 5800 270 2,5 1,56 650-6 Carbono (resistencia alta) 4100 240 1,6 1,75 1400-1,45 Aramídica 2800 109 2,4 1,45 550-2 (Módulo alto) Aramídica 650 17 2,2 1,38 400-2 Acero de 250-400 206 20-30 7,8 -- +10,4 construcción (deformación) 350-600 (rotura) Vidrio 3500 80 4,5 2,5 1200 +5,4 Coef. de dilatación térmica (10 6 C 1 ) 3

4 Comparación entre fibras estructurales: comportamiento con tracción monoaxial 7 6 5 SFORZO(GPa) 4 3 PBO Carbonio Aram idica Vetro 2 1 0 0 1 2 3 4 5 Deformazione(%) PBO Carbono Aramídica Vidrio Figura 1 - Comparación entre fibras estructurales: comportamiento con tracción monoaxial 3- La nueva fibra de PBO: interacción con la matriz inorgánica La nueva malla RUREDIL X MESH GOLD está compuesta por una fibra de Poliparafenilen benzobisoxazolo (PBO). Este polímero de síntesis presenta una estructura molecular (figura 2). Figura 2 Con numerosos sitios activos (átomos de nitrógeno, carbono, oxígeno) capaces de establecer enlaces químicos con los compuestos hidratados de un ligante inorgánico especial con reacción hidráulica (Ruredil X Mesh M750). La formación de estos enlaces químicos (interfase) entre fibra (fase dispersa) y matriz (fase continua) contribuyen a determinar las propiedades mecánicas del nuevo FRCM (figura 3). 4

5 FFaassee ccoonnt ti iinnuuaa Rured il X Mesh M750 Interfaz Enlaces químicos Fase dispersa Ruredil X Mesh Gold Figura 3 En un FRP tradicional la adhesión se realiza por medio de un tercer componente que normalmente se aplica con una capa muy fina (interfaz) sobre la superficie de la fibra, funcionando como puente de adhesión con la resina epoxídica. En el caso de la nueva fibra de PBO, la interfaz es una parte integrante del polímero porque está compuesta por los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno de la estructura molecular del mismo. Por lo tanto, la adhesión entre fibra y matriz no tiene lugar indirectamente, es decir por medio de un tercer componente (interfaz) que a la vez está adherido a la fibra de carbono por medio de un proceso de presión de la misma fibra. El nuevo mecanismo de adhesión entre matriz inorgánica y fibra y el elevado rendimiento mecánico de la fibra de PBO son los dos factores que explican las excelentes propiedades mecánicas del nuevo material composite FRCM-RX MESH GOLD. Como se demostrará más adelante, dicho composite tiene las mismas prestaciones de un tradicional CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polimer). 4- Comparación con otros FRCM Los FRCM son composites realizados con fibras estructurales de elevada prestación sumergidos en una matriz de cemento (inorgánica). En base a nuestra experiencia ha sido posible reforzar la resistencia a la flexión de distintas muestras de hormigón con FRCM variando el tipo de fibra y la matriz inorgánica. En particular, hemos realizado FRCM utilizando los siguientes tipos de fibras: Ruredil X MeshC10(C-FRCM) Vidrio (G-FRCM) Aramídica (A-FRCM) Polipropileno (PP-FRCM) Carbono/aramídica (CA-FRCM) Carbono/poliéster (CP-FRCM) Ruredil XMESH GOLD(PBO-FRCM) El objetivo de este estudio ha sido identificar para cada material composite el comportamiento estructural de la muestra de hormigón reforzado con distintos FRCM. 5

6 Descripción de la prueba Para cada tipo de FRCM se realizaron 5 muestras de 600x150x75 (l x a x h), en las cuales se realizó un corte en el centro de 5mm de profundidad antes de reforzar la resistencia a la flexión. El experimento consistió en realizar pruebas de flexión en cuatro puntos (paso de la distancia entre ejes cuchillos inferiores igual a 450mm y paso de la distancia entre ejes cuchillos superiores igual a 100mm) con control de desplazamiento y velocidad de carrera de 0,01 mm/min. Resultados 1. Las muestras de hormigón reforzadas para aumentar la resistencia a la flexión con una malla de fibra de polipropileno ver figura 4- pusieron en evidencia la incapacidad de la fibra de aumentar la carga máxima de rotura luego del primer agrietamiento. Figura 4 2. Las muestras reforzadas con fibra ar amídica y fibra de vidrio respectivamente ver figura 5 y 6- demuestran un aumento discreto de la carga máxima de rotura. De todos modos, la malla pierde su eficacia al desprenderse de la matriz de manera evidente, como puede observarse en la parte descendente de la curva. Figura 5 Figura 6 6

7 3. Aquellas muestras reforzadas con malla de fibra de carbono (X MESH C10/M50) demostraron ser mucho más resistentes que las muestras anteriores -figura 7-. Figura 7 Figura 8 4. Para finalizar, las muestras realizadas con la nueva malla Ruredil X MESH GOLD(PBO-FRCM) presentan una carga de agotamiento mayor de alrededor de un 40% con respecto a aquellas reforzadas con la fibra de carbono. La comparación entre las áreas inferiores de los diagramas demuestran que el refuerzo Ruredil X Mesh Gold (PBO- FRCM) también aumenta notablemente la ductilidad de la muestra ver figura 8- Esquema sinóptico de las muestras en los distintos FRCM 9000 8000 7000 6000 5000 4000 Ruredil X Mesh Gold X MESH GOLD Ruredil X Mesh C10 X MESH C10 POLIPROPILENE Polipropilene ARAMIDE VETRO Aramide Vidro 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 4 freccia (mm 7

8 5 Comparación rendimiento entre CFRP (Ruredil X Wrap 310) y PBO-FRCM (Ruredil X Mesh Gold) El experimento tuvo lugar en el Laboratorio de Ciencias de la Çonstrucción de la Universidad IUAV de Venecia, bajo la dirección del Profesor Angelo Di Tommaso. Las pruebas han sido realizadas con el objetivo de verificar la eficacia del nuevo sistema de refuerzo para aumentar la resistencia a la flexión PBO- FRCM (Ruredil X Mesh Gold), estableciendo la comparación entre las muestras sin refuerzo y aquellas reforzadas con CFRP (Ruredil X Wrap 310). Características geométricas y mecánicas de PBO-FRCM (Ruredil X Mesh Gold) En la tabla 3 se pueden observar las características geométricas y mecánicas de las mallas RX MESH Gold y RX MESH GOLD M750 mientras que en la figura 9 se puede observar una imagen que describe la malla. Características geométricas RUREDIL X MESH GOLD Espesor equivalente de tejido seco Urdimbre 0,0450 mm Trama 0,0225 mm Carga máxima por unidad ancho Urdimbre 261,0 kn/m Trama 130,5 kn/m Características mecánicas RUREDIL X MESH M750 Resistencia a la compresión 28gg 28 MPa Resistencia a la flexión 28gg 4 MPa Módulo de elasticidad 28gg 7500 MPa 8

9 Programa experimental Descripción de las muestras. Para las pruebas se utilizaron 6 vigas de hormigón armado. Las características geométricas de dichas vigas han sido representadas en la figura 10. Figura 10 En dos de las seis vigas no se aplicó ningún refuerzo (BC1 BC2). Figura 11 -dos viga s se reforzaron con 2 capas de Ruredil X Mesh Gold en el intradós y refuerzos con forma de U para esfuerzo cortante en los extremos. (AC1a y AC1b- Figura12). Figura 12 9

10 -dos vigas se reforzaron con una capa en el intradós, franja continua con forma de U de Ruredil X Mesh Gold y refuerzos para esfuerzo cortante en los extremos (CC1a y CC1b- Figura 13). Figura 13 - dos vigas se reforzaron con una capa de Ruredil X Wrap 310 en el intradós y refuerzos para esfuerzo cortante con forma de U ubicados en los extremos (EC1 y EC2-Figura 14). Figura 14 En todas las muestras se realizó una prueba de flexión en tres puntos con carga-flecha en el punto central, como se puede apreciar en el esquema de la figura 15. Figura 15 Al alcanzar 30 kn y 70 kn se re tiró la carga de las vigas y luego se aplicó nuevamente. 10

11 Análisis de los Resultados Los diagramas experimentales carga-flecha se encuentran representados en las figuras 16-19 (para poder leerlos con mayor facilidad no se han incluido las ramas de carga y descarga). Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura19 Cargas de agotamiento de todas las muestras. Valores medios - Tabla 4. Muestra Carga Máxima Flecha con carga máxima BC 255.86 14.52 AC 319.33 17.19 CC 311.98 19.61 EC 321.09 13.76 11

12 Comentario sobre los resultados obtenidos En los diagramas carga-flecha de las muestras sin refuerzo se puede observar una fase sin agrietamiento (primera parte), una fase agrietada con acero todavía en fase elástica (hasta el codo de la curva que corresponde al límite elástico del acero tensado) y una fase con acero deformado donde la carga crece (moderadamente) gracias al endurecimiento del acero y al aumento de la torsión interna. Los diagramas de las muestras reforzadas son iguales a aquellos de las muestras sin refuerzo hasta el punto de deformación del acero; luego de este evento la carga puede aumentar considerablemente gracias al comportamiento elástico lineal hasta la rotura del refuerzo fibroso donde la tracción sigue aumentando con la curvatura. Comparadas con las muestras no reforzadas, en todas las muestras reforzadas se registró un aumento de la carga de deformación del acero (debido a la contribución del refuerzo que absorbe una parte de las tracciones) y también un aumento de la carga de agotamiento. En todos los casos, luego de la anulación del efecto del refuerzo, los diagramas de carga desplazamiento se fueron regularizando imitando a aquellos de las muestras no reforzadas. La crisis resultó más dúctil en el caso de las muestras reforzadas con PBO-FRCM (Ruredil X Mesh GOLD) que en las muestras reforzadas con C-FRP(Ruredil X Wrap 310) debido a que en las primeras se registra una reducción gradual del refuerzo (debido al desplazamiento entre matriz y fibras), mientras que en las segundas se registra una desprendimiento repentino de todo el refuerzo. Dicha diferencia de comportamiento se repitió de manera sistemática en todas las muestras sometidas al ensayo: luego del pico, las curvas carga-flecha de las muestras reforzadas con PBO-FRCM retoman gradualmente las de las muestras sin refuerzo, mientras las curvas cargaflecha de las muestras reforzadas con C-FRP presentan, siempre después del pico, una disminución repentina de la carga. El aumento de la carga de agotamiento obtenido con Ruredil X Mesh GOLD resultó igual al aumento obtenido con Ruredil X Wrap 310. Efectivamente, la tabla 3 demuestra que los valores de las cargas máximas son 321,09kN y 319,33kN respectivamente para Ruredil X Wrap 310(EC) y para Ruredil X Mesh GOLD(AC). En particular, se observa que las configuraciones de refuerzo adoptadas corresponden a una sección de 42,5mm2 para Ruredil X Wrap y de 30,6mm2 para Ruredil X Mesh GOLD (AC). Los resultados obtenidos con las vigas confirman aquellos obtenidos con las muestras de sección inferior. Cabe recordar que la comparación entre los resultados obtenidos con las muestras con distintos FRCM (figura 4-8) demostró la superioridad del rendimiento de RUREDIL X MESH GOLD. 12

13 6- Resistencia al fuego Ruredil X Mesh Gold es un material "composite", es decir que está compuesto por una matriz inorgánica estabilizada de cemento capaz de resistir al fuego como todos los hormigones, gracias a su baja conductividad y al elevado calor específico. El efecto de la temperatura y del fuego en las propiedades mecánicas del hormigón es bastante complejo porque depende de la relación A/C, del tipo de inertes y cemento utilizado, de las condiciones de carga a las cuales el material está sujeto durante un incendio, etc. En el caso del cemento armado, la literatura demuestra que el acero pierde sus propiedades mecánicas cuando se superan los 500 C mientras que el hormigón mantiene sus características inalteradas hasta los 650 C. La matriz inorgánica con la cual se elabora el mortero Ruredil X Mesh M750 es resistente a temperaturas elevadas ya que no registra degradaciones importantes y mantiene las características de adhesión con la malla Ruredil X MESH GOLD y el soporte de hormigón. La fibra de PBO con la cual se fabrica la malla se descompone al alcanzar los 650 C. En el caso de los FRP la literatura describe muchos estudios que demuestran poca resistencia a la temperatura como consecuencia del uso de resinas (polímero orgánico). Efectivamente, cada resina se caracteriza por una temperatura de transición vítrea Tg que en el caso de las resinas termoendurecibles con base epoxy varía de 80 a 120 C. Al superar estos valores la resina pierde sus propiedades adhesivas y mecánicas al pasar de un estado rígido y frágil a uno viscoso y gomoso, hasta quemarse y descomponerse totalmente por la temperatura elevada. Con esta finalidad se realizó un análisis dinámico-mecánico (DMA) que consiste en la aplicación contemporánea de una carga oscilante sinusoidal y de un programa controlado de temperatura. El uso de dicha técnica puso en evidencia que para valores de temperatura que se aproximan a Tg (80-120 C ) se registra una reducción del módulo de elasticidad, que en algunos casos llega a ser tres veces menor. Por lo tanto, los sistemas FRP sujetos a temperaturas que superen la temperatura de transición vítrea de la resina, aunque sea por pocos grados, registran una reducción drástica de la resistencia, la rigidez y la adhesión al soporte de hormigón o mampostería. Para poner en evidencia cuán importante es tener siempre en cuenta la influencia de la temperatura en el rendimiento de los FRP luego de ser aplicados en el soporte, hemos incluido a continuación el texto integral del párrafo 3.6 Los límites del refuerzo en el caso de exposición al fuego - del documento CNR-DT 200/2004 (Instrucciones para el Diseño, la Ejecución y el Control de intervenciones de consolidación estática por medio del uso de Compuestos Fibroreforzados). 3.6 Los límites del refuerzo en el caso de exposición al fuego (1) Los materiales "composite fibroreforzados son particularmente sensibles cuando se exponen a temperaturas elevadas, como en el caso de incendios. Cuando la temperatura ambiente supera la temperatura de transición vítrea de la resina (o la temperatura de fusión en el caso de materiales semicristalinos), la resistencia y la rigidez del sistema FRP disminuyen drásticamente. Cuando el FRP es aplicado externamente sobre elementos de hormigón o mampostería, la exposición a temperaturas elevadas produce, además, un rápido deterioro de la adherencia del FRP/soporte, con la consiguiente deslaminación del material composite y la pérdida de eficacia del refuerzo. (2) Cuando los sistemas a base de FRP aplicados en el exterior son expuestos al fuego, las propiedades mecánicas pueden ser mejoradas notablemente si se aumenta el espesor del revestimiento protectivo utilizado. Se sugiere el empleo de revestimientos que reduzcan la propagación de las llamas y la emisión de humo. De todos modos, se recomienda el uso de sistemas de aislamiento certificados. Es posible obtener ulteriores especificaciones sobre la aplicación de sistemas productivos en 4.8.2.3 e 5.8.2.3 13

14 (3) En el caso de exposición al fuego se recomienda limitar con prudencia la contribución solicitada al refuerzo para evitar el colapso de la estructura reforzada con FRP, hasta que se pueda contar con mayor información sobre el comportamiento real de los revestimientos y de los distintos tipos de resinas en dichas condiciones. (4) Se sugiere que la combinación de acciones para situaciones excepcionales (fuego) según la definición de las Normas vigentes, tenga en cuenta las situaciones de la siguiente lista, en las cuales el valor de cálculo del efecto de la acción térmica indirecta es indicado con el símbolo E d. Situación excepcional en presencia de refuerzo (E d 0), para aquellas situaciones en las cuales el refuerzo ha sido diseñado para estar expuesto al fuego durante un período de tiempo preestablecido. En este caso es necesario considerar la acción del funcionamiento sobre la estructura para la combinación frecuente. La capacidad de los elementos, reducida oportunamente para tener en cuenta el tiempo de exposición al fuego, es calculada con los coeficientes parciales relativos a las situaciones excepcionales, como lo establecen las normas vigentes (para el material composite fibroreforzado γ ƒ =1). Situación sucesiva al evento excepciona( (E d = 0), en ausencia de refuerzo. En este caso es necesario considerar las acciones sobre la estructura para la combinación casi permanente. Las distintas capacidades de los elementos, reducidas oportunamente para tener en cuenta el tiempo de exposición al fuego, deben ser calculadas con los coeficientes parciales relativos a las situaciones excepcionales. Observaciones Las consideraciones expuestas ponen en evidencia cómo el nuevo sistema de refuerzo Ruredil X Mesh Gold es sumamente confiable para mantener prácticamente inalteradas sus propias características mecánicas y de adhesión al soporte en relación a la temperatura elevada y al fuego. Los materiales composite FRP, en los cuales la adhesión está a cargo de una resina orgánica, pierden sus propiedades de refuerzo estructural con temperaturas comprendidas entre los 80 y 120 C. Efectivamente, la resina que compone el ligante del composite, al estar expuesta a dicha temperatura (temperatura de transición vítrea Tg), padece una alteración químico-física tal que reduce o pierde totalmente las propiedades adhesivas con respecto a la fibra y al soporte. Dicho comportamiento reduce drásticamente las características de refuerzo estructural diseñado con FRP, comprometiendo la seguridad de la intervención. Ruredil X Mesh Gold es por lo tanto un material composite utilizado para reforzar obras de hormigón común y hormigón armado para ser aplicado en estructuras que deban resistir contemporáneamente a un incendio asociado a un sismo o cargas no previstas. 7- Humedad del soporte También la humedad del soporte (hormigón o mampostería) puede influenciar las propiedades mecánicas y de adhesión debido a que, en el caso de los FRP, la alteración del proceso de catálisis de la resina reduce la Tg y, como consecuencia, las propiedades adhesivas hacia la fibra y el soporte. En cambio, en el caso de RUREDIL X MESH GOLD, el ligante (material inorgánico estabilizado con reacción hidráulica) necesita agua para ser preparado: por lo tanto no es afectado por la humedad del soporte y, por el contrario, la adhesión se ve favorecida. 14

15 8- Durabilidad El nuevo sistema de refuerzo Ruredil X Mesh Gold presenta características notables de durabilidad con respecto a los agentes agresivos químicos más comunes presentes en el ambiente natural e industrial. De hecho la matriz inorgánica Ruredil X Mesh M 750 está compuesta por puzolana y además contiene aditivos específicos capaces de reducir la micro porosidad y hacerla impermeable a los agentes agresivos químicos como los cloruros, los sulfatos, los nitratos, los ácidos orgánicos e inorgánicos, etc. Por otra parte, la fibra PBO que compone la malla Ruredil X Mesh Gold no sufre ningún deterioro químico-físico en ningún tipo de ambiente agresivo. El sistema Ruredil X Mesh Gold puede ser utilizado eficazmente en situaciones que requieran un refuerzo estructural y una elevada resistencia a los agentes agresivos químicos del ambiente (industrias químicas, puertos, viaductos y puentes en ambientes marinos, etc.). 9- Aplicaciones Al tener el mismo rendimiento que los tradicionales FRP, Ruredil X Mesh Gold es utilizado para la consolidación estática de las estructuras en hormigón armado y hormigón pretensado, incluyendo aquellas que también están sujetas a la acción contemporánea del fuego o temperaturas elevadas. En particular, Ruredil X Mesh Gold se aplica en estructuras de hormigón armado y hormigón pretensado para: Refuerzo resistente a la flexión; Refuerzo resistente al esfuerzo cortante; Refuerzo resistente a la torsión; Confinamiento de pilares de hormigón pretensado con pequeña excentricidad; Confinamiento y refuerzo longitudinal de pilares de hormigón pretensado con gran excentricidad; Con respecto a intervenciones en zonas sísmicas, Ruredil X Mesh Gold resulta adecuado para: Aumentar la resistencia a la flexión simple o al pandeo; Aumentar la resistencia al esfuerzo cortante con la malla dispuesta de manera ortogonal con respecto al eje del elemento; Aumentar la ductilidad de las partes terminales de vigas y pilares por medio de un sistema de fajadura; Aumentar la resistencia a la tracción de los paneles de los nudos viga-pilar con las fibras dispuestas según las líneas de esfuerzo de tracción. 15