“La finalidad del Centro es promover la investigación de nuevos

INVESTIGACIÓN SOBRE EL CONCRETO EN EL CENTRO BRE PARA MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN INNOVADORES En este artículo se describen algunas de las investigaciones recientes que se están llevando a cabo sobre los materiales de concreto y el diseño de estructuras de concreto. Estas investigaciones se realizaron por el Centro Building Research Establishment (BRE) para Materiales de Construcción Innovadores en la Universidad de Bath. Se describen tres áreas principales de investigación: compósitos de avanzada para la construcción de concreto, compósitos de avanzada para reforzar las estructuras de concreto y sobre el desarrollo del concreto sostenible. ANTONY P DARBY, KEVIN A PAINE, TIM J BELL UNIVERSIDAD DE BATH _______________________________________________________________________ Recientemente el BRE ha
establecido
algunas
asociaciones
con
universidades en todo el
Reino Unido, al formar
Centros de Investigación
especializados, que apoyan su
tarea medular. La Facultad de
Figura 1 arriba: anclaje para refuerzo de PRF (Polímero Ingeniería y Diseño de la Universidad
de Bath alberga un centro de investigación como
Reforzado con Fibra) éste, El Centro para Materiales de Construcción Innovadores.
La
finalidad
del
Centro es promover la
investigación de nuevos
materiales de construcción y
explorar formas innovadoras
relacionadas con el uso de
productos existentes para el
diseño de construcciones
modernas y sostenibles. El
Centro, establecido en el
2006, funciona bajo la
dirección del catedrático
Peter Walker, con 12
miembros
del
personal
académico, siete asistentes de
investigación y 26 alumnos
de investigación, cinco de los
cuales reciben financiamiento
directo de la Fundación BRE
Trust.
La gama de las
actividades de investigación
llevadas a cabo por el grupo
“La finalidad del
Centro es promover la
investigación de
nuevos materiales de
construcción y
explorar formas
innovadoras
relacionadas con el
uso de productos
existentes para el
diseño de
construcciones
modernas y
sostenibles”.
Figura 2. Columnas de sección
cuadradas, reforzadas de PFR
bajo carga excéntrica.
1
comprende: el uso de materiales naturales, adobe, materiales compuestos de cal,
geotextiles, acero inoxidable, materiales reciclados, compósitos de avanzada y cemento
con bajo contenido de emisiones de CO2 en su producción. Muchos de estos estudios se
llevan a cabo con el BRE y en colaboración con grupos industriales.
Refuerzo de compósito de avanzada El uso de compósito de “fibre‐reinforced polymers” (FRPs) como reemplazo del acero convencional o cable pretensado en estructuras de concreto es una opción atractiva en ambientes altamente corrosivos o donde se desee una transparencia electromagnética. Si bien es cierto que los materiales de PFR pueden ser resistentes a la corrosión, presentan algunos atributos menos deseables. Como el caso de la falta de ductilidad, la cual presenta la posibilidad de barras sobrefatigadas en zonas puntuales en las que surgen fisuras. Lo que se asume comúnmente es que la adherencia entre el concreto y el PFR debería ser lo más alto posible para transferir los esfuerzos eficazmente. Sin embargo, como las fisuras se forman inevitablemente en el concreto, debe garantizarse la adherencia localizada de la barra del “fibre‐reinforced polymers” FRPs si se deben evitar las tensiones altas localizadas y, por consiguiente, altos esfuerzos del PFR, que llevan a una falla prematura. Éste no es el caso del acero reforzado puesto que permite que estos esfuerzos se disipen. Sólo permitiendo que se desarrolle intermitentemente la adherencia entre la barra del PFR y el concreto, nuestra investigación ha mostrado que un 25% de capacidad flexional mayor puede lograrse en comparación con una barra completamente adherente(1). Las fisuras en el concreto surgen naturalmente en las regiones no adherentes, lo que permite que el PFR se tensione a lo largo de la longitud completa no adherentes, dando como resultado esfuerzos localizados menores con una pequeña reducción en la rigidez. Entonces la pregunta que tenemos que empezar a hacernos es ¿cómo proporcionar anclaje efectivo a los extremos de las barras de PFR, las cuales no se deforman como las barras de acero con ganchos, por ejemplo? Se ha desarrollado un método en la Universidad de Bath para formar una cuña, partiendo los extremos de las barras y extendiéndolas elásticamente en pequeñas cantidades (2º o 3º, ver Figura 1). Se ha probado que esta cuña posee un excelente anclaje – hasta diez veces la capacidad de una barra lisa no deformada (2). Otro proyecto en marcha relacionado con la construcción nueva, es el uso de los PFR como encofrado permanente para lozas de concreto. El encofrado de PFR que queda en el lugar provee refuerzo integrado para las lozas de concreto. El sistema que se está desarrollando en la Universidad de Bath posee el potencial de crear losas expandidas de doble uso usando un sistema de rejillas moldeado de PFR. La ductilidad proviene del confinamiento del concreto en compresión y descomposición longitudinal controlada del PFR. Seguido de estudios a menor escala, se encuentran en desarrollo algunos sistemas de loza prototipos. Compósito de avanzada para refuerzo Uno de los mercados principales para usar los PFR, en relación al concreto, es el del reajuste estructural que incrementa la capacidad de carga, restaura defectos de construcción o repara daños. La Universidad de Bath ha estado investigando esta área de una manera activa durante algunos años y ha sido la responsable de llevar a cabo la revisión de los capítulos técnicos de la guía The Concrete Society en cuanto al reforzamiento de PFR de las estructuras de concreto, Informe Técnico 55 (3). Desde 2
entonces, la investigación se ha centrado en llenar los vacíos que hay en esta área del conocimiento. Está en “Otra investigación
proceso la investigación que considera reforzar las recién iniciada
columnas rectangulares por confinamiento de “fibre‐ reconsidera el papel de
reinforced polymers” (FRPs). Si bien es cierto que esto la cal como
es muy efectivo y se comprende bien para las columnas aglomerante para
circulares, existe una mejora más moderada del concretos de esfuerzo de
esfuerzo para columnas rectangulares más comunes. Sin bajo a medio. Recientes
embargo, esta observación se ha basado en pruebas de sucesos han llevado a la
muestras en menor escala bajo carga concéntrica. Las creación de cales
investigaciones actuales tratan de entender el formuladas para
comportamiento de prototipos a mucha mayor escala aplicaciones
bajo carga concéntrica y excéntrica, tal como se específicas”.
encuentran en la realidad (figura 2). Se espera que para prototipos mayores, la adherencia del PFR de la cara de la columna pueda volverse crítico, dando como resultado fuerzas confinadoras menores; un efecto que se oculta para muestras a menor escala. Los prototipos de sección cuadradas y rectangulares a mayor escala deben llegar para ser evaluadas en el verano del 2009. Otro proyecto, que llega a su conclusión, implica el desarrollo de un modelo generalizado para el comportamiento del anclaje de refuerzo de la “hear surface mounted (NSM). El refuerzo de NSM implica el corte de una ranura en el concreto de recubrimiento de una viga o losa y la inserción de varillas de PFR, fijadas con adhesivo, Figura 3: Reforzamiento del esfuerzo cortante mediante el uso de barras
incrustadas a profundidad.
3
proporcionando así refuerzo de tensión adicional. Esto tendrá en cuenta un área superficial mucho mayor para la adherencia, en comparación con el reforzamiento de PFR de la superficie ensamblada más convencional. Sin embargo, el número de las variables implicadas es de lejos mucho mayor, al realizar un modelo analítico generalizado, el cual describe el comportamiento del anclaje como muy complejo. Se ha llevado a cabo una serie de pruebas que se plantearon diferentes configuraciones de forma de barra (circular, rectangular, cuadrada), acabado de la superficie, tamaño de ranura, tipo de adhesivo, longitud de ligamiento y refuerzo de concreto (4). Hasta el momento las conclusiones generales son: siempre y cuando la longitud del anclaje y la superficie de la barra sean adecuadas, el comportamiento limitante es regulado por la separación del recubrimiento de concreto o la ruptura tensora de la barra. Sin embargo, ambos tipos de funcionamiento son frágiles, quizás sea más deseable esta otra modalidad: la modalidad de falla que se da primero. Se están desarrollando los modelos que describen este comportamiento. Se ha llevado a cabo un trabajo adicional sobre una nueva técnica relacionada con el reforzamiento de esfuerzo cortante de incrustamiento profundo. La técnica se aplica especialmente cuando los lados o almas de una viga de concreto son inaccesibles, evitando aseguramiento del PFR. La técnica implica perforar verticalmente hacia arriba a través del sofito, en medio del refuerzo interno e insertar las barras de PFR (o acero) en los vacíos resultantes, colocados en el lugar apropiado usando un adhesivo de alta viscosidad (Figura 3). Esto efectivamente introduce el refuerzo de esfuerzo cortante interno adicional. Se ha demostrado el método de manera exitosa en vigas reforzadas y pretensadas tanto a pequeña como a gran escala, dando un método de reforzamiento práctico en el que se encuentra que las vigas son deficientes en esfuerzo cortante (5). Una alternativa, en la que los lados de la viga son accesibles, es fijar la hoja de PFR a las superficies laterales de la viga. Sin embargo, aunque se proporciona una guía del diseño a nivel internacional para esta situación, las pruebas realizadas en la universidad de Bath (6) y la de Cambridge (7) han demostrado que esta guía es potencialmente deficiente, especialmente puesto que en su mayoría es empírica por naturaleza, al basarse en pruebas no representativas a pequeña escala. El trabajo está en marcha para adquirir una comprensión más profunda de los mecanismos del comportamiento y elaborar una guía de diseño segura y práctica. Concreto sostenible En conformidad con la finalidad del centro, nuevos proyectos de investigación sobre la tecnología del concreto han comenzado a considerar la sostenibilidad del concreto, especialmente con respecto al uso de la energía y las emisiones de CO2 asociadas con el uso del cemento y el consumo de los recursos naturales. Durante mucho tiempo se ha reconocido la conveniencia de producir cementos con menor contenido de emisiones de CO2. A este efecto se han desarrollado los cementos adicionados de la mezcla del cemento Portland con subproductos industriales, por cuanto ahora esto es una tecnología que goza de mucha aceptación (8)
. Sin embargo, cementos alternativos (LCC por sus siglas en inglés) basados en tecnologías completamente diferentes ahora están disponibles, pero éstas no han sido ampliamente investigadas en el contexto del RU. Por lo tanto, actualmente no se han 4
respondido preguntas sobre la existencia de algún beneficio al usar el LCC, en términos de reducir el CO2 y proporcionar el rendimiento apropiado. Es posible que el desarrollo de las normas basadas en el rendimiento puedan ser decisivas para que estos cementos sean 4: Concreto fresco y endurecido de aglomerante
aceptados en la práctica, y Figura
activado con álcali.
con este fin el Centro está llevando a cabo dos proyectos de investigación sobre concretos de LCC que cumplan los requisitos de “A través del uso
rendimiento para una gama de aplicaciones significativas innovador de los
en la industria, y compararlos con la alternativa actual de nuevos materiales, se
cemento combinado. Es evidente que si cualquier LCC pueden mejorar la
debe tener un impacto real en el CO2 incorporado, construcción y la
entonces tendrá que tener características de rendimiento eficiencia estructural,
y durabilidad por lo menos tan buenas como las que se puede mejorar la
posee la generación actual de cementos mezclados, vida del diseño de las
de
basados en el cemento Portland. Por lo tanto, será de estructuras
especial importancia la información relativa a las concreto y se puede
proporciones de la mezcla que se requieren para lograr el reducir el impacto
rendimiento necesario y los impactos ambientales ambiental con el uso
asociados con la vida en su totalidad. Los productos de la de los materiales de
investigación serán importantes para demostrar el concreto”.
potencial de estos cementos, y establecer los pasos hacia su expansión a los mercados. En tanto que los proyectos anteriores buscan mirar a través de toda la gama de LCC disponible, un proyecto de investigación adicional, en colaboración con el BRE, está investigando aglomerantes activados con álcali de manera específica (figura 4), por cuanto se mezclan subproductos industriales adecuadamente procesados con un activador de pH alto. Nuevamente, faltan datos esenciales sobre la durabilidad a largo plazo asociados con estos aglomerantes y por ende esta investigación considera el efecto de las variables composicionales en la microestructura, y la disponibilidad de recursos de los diferentes aglomerantes. Otra investigación recién iniciada reconsidera el papel de la cal como aglomerante para concretos de resistencia de baja a media. Recientes sucesos han llevado a la creación de cales formuladas para aplicaciones específicas: un ejemplo es la adherencia de materiales naturales de alta absorbencia para producir elementos de cal y caña, tema de algunos proyectos de investigación en el centro. Sin embargo, mediante la mezcla apropiada se espera que se puedan desarrollar las cales formuladas con las propiedades de fraguado y endurecimiento que se usan con agregados naturales o reciclados. Investigaciones sostenibles sobre la tecnología del concreto en el Centro reconocen que no hay una solución única para realizar construcciones con cemento 5
producido mediante procesos con menores emisiones de CO2, sin embargo esa selección y proporción de cementos, agregados, y aditivos tiene que ser apropiada para el esfuerzo, durabilidad, ambiente y vida útil del concreto (9). A pesar que muchos de los cementos actuales que poseen emisiones de CO2 relativamente altas pueden desempeñar un papel en las estructuras de concreto con prestigio de alto rendimiento, sin embargo en las aplicaciones de concreto de menores resistencia que integran la vasta mayoría del uso del concreto es donde los cementos alternativos pueden tener y tendrán un mayor impacto en la construcción. Las investigaciones llevadas a cabo en el Centro desempeñarán un papel importante en esta selección de materiales apropiados. COMENTARIOS FINALES El trabajo de investigación llevado a cabo en la Universidad de Bath sobre el concreto es impulsado por el deseo de crear soluciones sostenibles que puedan beneficiar la industria de la construcción, en el corto y en el largo plazo. A través del uso innovador de los nuevos materiales, se pueden mejorar la construcción y la eficiencia estructural, se puede mejorar la vida del diseño de las estructuras de concreto y se puede reducir el impacto ambiental con el uso de los materiales de concreto. Estos objetivos son el meollo de la investigación llevada a cabo en la Universidad de Bath. A medida que vayan madurando estas tecnologías, los diseñadores tendrán que adoptarlas para mantener su ventaja competitiva. References:
1. SUN, C. Effect of Bond in FRP Reinforced Concrete Beams, MEng Dissertation Thesis, University of Bath, 2008. 2. DARBY, A.P., IBELL, T.J., TALLIS, S. and WINKLE, C. End Anchorage Technique for Internal FRP Reinforcement. Proceedings of FRPRCS‐8, Patras, Greece, 2007. 3. CONCRETE SOCIETY. Design Guidance for Strengthening Concrete Structures Using Fibre Composite Materials. Technical Report 55, Second Edition, The Concrete Society, Camberley, 2004. 4. PERRERA, K., IBELL, T.J., DARBY AP. and DENTON, S. Anchorage and Bond Behaviour of Near Surface Mounted Carbon Fibre Reinforced Polymer Bars, Proceedings of 5th International Conference on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures (ACMBS‐V), Winnipeg, Manitoba, Canada, 2008. 5. VALERIO, P., IBELL, T.J. and DAR BY, AP. Deep embedment of FRP for the shear strengthening of concrete. ICE Journal of Structures and Buildings, in press, 2009. 6. WEN, X. Size effect in FRP shear strengthening of concrete structures. MPhil Dissertation, University of Bath, 2009. 7. HASSAN DIRAR, S.M.O., MORLEY, C.T. and LEES, J.M. Effect of Effective Depth and Longitudinal Steel Ratio on the Behaviour of Precracked RC T‐beams Strengthened in Shear with CFRP Fabrics. Proceedings of FRPRCS‐8, Greece, paper 5‐8, 2007. 8. PAINE, KA, ZHENG, L. and DHIR, R.K. Experimental study and modelling of heat evolution of blended cements. Advances in Cement Research. Vo1.17, No 3., pp.121‐132,2007. 9. DHIR, R.K., DYER, T.D., PAINE, K.A. Appropriate use of sustainable construction materials. CONCRETE, Vol.40, NO.9. pp. 20‐23, 2006. 6