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2.2 Materiales compuestos para la construcción 2.2.1 Definición
El término material compuesto hace referencia a los materiales con dos fases, fibra y matriz, que trabajan conjunta y solidariamente. Los FRP (fibre
reinforced polymers) son materiales compuestos en los que la fibra proporciona
la rigidez y resistencia necesarias para usos estructurales mientras que la matriz es una fase continua que aporta la configuración geométrica y permite la transmisión de esfuerzos entre fibras. Las propiedades mecánicas del compuesto son intermedias entre las de fibra y matriz, como puede apreciarse en la Figura 2.1, dependen principalmente de la fracción volumétrica de fibras.
Figura 2.1. Diagrama tensión deformación de los materiales FRP
Los FRP tienen un comportamiento elástico y lineal hasta rotura, con una deformación última del orden del 1,1% al 2,3%. Por tratarse de materiales anisótropos su resistencia es muy superior en la dirección de las fibras que en la transversal;; esto ha llevado a la comercialización de tejidos bidireccionales y al uso de láminas superpuestas con distinta orientación de las fibras, para evitar el fallo cuando se prevén esfuerzos en distintas direcciones.
2.2.2 Constituyentes
Como se ha indicado, las propiedades mecánicas de los FRP dependen principalmente de la fibra empleada y de su cuantía. Por su parte, la matriz polimérica, además de configurar la geometría del material y de transferir las tensiones entre las fibras, puede emplearse al mismo tiempo como adhesivo al soporte. En este apartado se presentan los materiales más comunes en la fabricación de los FRP.
2.2.2.1 Fibras
Las fibras más empleadas para la fabricación de FRP son la fibra de carbono, fibra de vidrio y de aramida, dando lugar a nombres específicos de los materiales compuestos (CFRP, GFRP, AFRP). En los últimos años se ha incorporado la fibra de basalto (BFRP), por poseer buenas propiedades mecánicas y un coste no muy elevado. También es posible utilizar fibras de nueva generación e incluso fibras naturales. Esto da lugar a un gran abanico de materiales compuestos con propiedades muy diversas, que se pueden adaptar a las condiciones específicas de los proyectos de rehabilitación de estructuras con distintos materiales de soporte y distintas solicitaciones.
Carbono (CFRP). Es la fibra de mayor coste, pero también la de mayor ratio
resistencia/peso;; sus buenas propiedades mecánicas y durables hacen que sea la fibra más utilizada para refuerzos exteriores de estructuras de hormigón armado. Existen fibras producidas específicamente con alto módulo elástico o con alta resistencia, aunque ambas propiedades son elevadas en todas las fibras de carbono. De las fibras usadas para compuestos de FRP son las que presentan una menor fluencia y un mejor comportamiento a fatiga, lo que las hace apropiadas para elementos en los que la durabilidad sea relevante bien por dificultad de reposición de refuerzo o bien por exigencia de vida útil. Las fibras se carbono de forman con cristales similares a los del grafito, a partir de láminas de átomos de carbono apiladas con un contenido en carbono de un 80-95%.
Vidrio (GFRP). Tiene un bajo módulo elástico, siendo más adecuada para
el refuerzo de estructuras bastante deformables como las fábricas de ladrillo o mampostería, y en menor medida para hormigón. Los compuestos de GFRP son sustancialmente más baratos que los de fibra de carbono o aramida;; su principal limitación es su mala durabilidad. La fibra de vidrio es esencialmente sílice en estructura tetraédrica (SiO4);; pueden incluirse adiciones de aluminio u otros iones metálicos para modificar algunas de sus propiedades, dando lugar a los vidrios E, S y C. Estas formulaciones de fibra de vidrio tienen distintas propiedades, tratando de paliar su baja resistencia a la corrosión química (C), a altas temperaturas (S) y su vulnerabilidad al ataque por álcalis (AR).
Aramida (AFRP). Se trata de una fibra orgánica a partir de poliamidas
aromáticas. Se introdujo en 1971, popularizándose gracias a su mejor resistencia al fuego y a altas temperaturas por no conducir el calor a la matriz. También se emplea para trabajos en los que se requiera resistencia a impacto. Su uso estructural es limitado por su baja resistencia a flexión, así como por su sensibilidad a los cambios de temperaturas y a los rayos UV.
Basalto (BFRP). En los últimos años se ha erigido como una alternativa al
CFRP. Las fibras de basalto presentan un módulo elástico similar a la fibra de vidrio, pero con mayor resistencia a compresión y buen comportamiento frente al ataque por álcalis;; su estabilidad térmica y resistencia a altas temperaturas es superior a la de la fibra de vidrio. El proceso de fabricación de las fibras de basalto es por hilado de roca fundida a temperaturas comprendidas entre los 1330º y los 1770º;; la tecnología para hilado se ha perfeccionado recientemente permitiendo unos costes de producción intermedios entre los de la fibra de vidrio y la de carbono. Esto junto con sus propiedades ha motivado un considerable desarrollo, especialmente en aplicaciones de refuerzo de muros de fábrica.
Junto con estas cuatro fibras, las más comunes en FRP, cabe comentar brevemente las propiedades de las fibras naturales, y la posibilidad de usar fibras de nueva generación con propiedades mecánicas prácticamente “a la carta”.
Las fibras naturales han sido tradicionalmente un recurso económico para la obtención de resistencias medias a tracción. Su principal problema ha sido de durabilidad, contrarrestada por su fácil renovación y bajo coste. Con respecto al uso de fibras naturales en FRP, Codispoti et al. (2013) han estudiado las propiedades mecánicas de diversas fibras incluyendo sisal, yute, cáñamo y lino;; sus estudios concluyen la viabilidad del uso de estas fibras para refuerzo de estructuras con estados tensionales no muy elevados, como suele ser el caso de las fábricas. Junto con la degradación por agresión ambiental, los FRP de fibras naturales presentan una menor interacción fibra-matriz que otros compuestos.
Las fibras de nueva generación permiten la fabricación de fibras con muy elevada resistencia a tracción a igual módulo elástico que la fibra de carbono. Destaca el PBO (Poliparafenil benzobisoxasol), empleado hasta la fecha para matrices inorgánicas y no para FRP;; Loreto et al. (2013) destacan de esta fibra su resistencia a altas temperaturas y su buena interacción fibras-matriz-soporte.
A modo de resumen se presentan en la Tabla 2.1 los principales criterios de selección que pueden aplicarse en función de las propiedades de las distintas fibras que pueden emplearse en materiales compuestos FRP. En este caso, considerando refuerzos de estructuras de hormigón armado, se han penalizado los módulos elásticos bajos (recomendables para estructuras deformables de fábrica de ladrillo o de madera, entre otras).
Tabla 2.1. Propiedades e idoneidad de fibras para FRP
Tipo de fibra Tracción elástico Módulo Fuego Durabilidad Fatiga Impacto Coste
CARBONO VIDRIO ARAMIDA BASALTO NATURAL PBO
idóneo recomendable aceptable poco recomendable
2.2.2.2 Matriz
Las matrices de los materiales compuestos pueden ser poliméricas, inorgánicas de base cemento, metálicas o cerámicas. En los FRP, la matriz suele ser una resina poliméricas;; además de configurar la geometría del material compuesto y la transferencia de tensiones, previene el pandeo longitudinal de las fibras a compresión y las protege de agresiones ambientales.
El término resina hace referencia a los polímeros en su forma de aplicación, en estado líquido. La resina pasa a ser plástico cuando toma su forma definitiva endurecida, aunque muchas veces se designa como plástico solo a los materiales sintéticos y no a los procedentes de polímeros naturales. Las resinas poliméricas empleadas en FRP son básicamente de dos tipos: termoplásticas y termoestables;; las primeras son sólidos a temperatura ambiente, se ablandan a altas temperaturas y endurecen con refrigeración;; las resinas termoestables se presentan por lo general en estado líquido y endurecen al mezclarse con un catalizador en presencia o no de calor, en un proceso de “curado” de la resina.
Las resinas termoestables son las que suelen emplearse para la fabricación y aplicación de los FRP. Las más frecuentes son las de poliéster no saturada, viniléster, epoxi, poliamida, fenólica y cianoacrilato. La resina por excelencia para los FRP es la epoxi, por su resistencia a la humedad y a las agresiones químicas;; está disponible en presentaciones bicomponente líquidas o en gel a temperatura ambiente. Una vez mezclados los dos componentes de las resinas termoestables empieza el tiempo de curado, el cual es típicamente de siete días;; hay que tener en cuenta que el tiempo en que la resina es trabajable es muy inferior, variando desde 15 minutos hasta 24 horas.
La temperatura de transición vítrea de la resina epoxi es muy baja, haciendo que sus propiedades se vean deterioradas a partir de 60ºC. Esto hace que los compuestos FRP deban protegerse si se aplican en superficies a la intemperie que puedan estar soleadas varias horas, y limita el tiempo de exposición al fuego de estos refuerzos.
2.2.2.3 Adhesivo
La función de los adhesivos en las uniones de refuerzos estructurales al soporte, ya sean refuerzos de FRP o de otro tipo, es garantizar una adecuada adhesión del material de refuerzo a la superficie del soporte. La unión debe tener una suficiente resistencia tangencial para resistir los esfuerzos rasantes fruto de la transmisión de tensiones en la interfaz refuerzo-soporte. El adhesivo debe tener, por tanto, una elevada capacidad de adhesión tanto al soporte como al refuerzo, y características reológicas y durables que lo hagan compatible con el sistema estructural reforzado.
Al igual que las matrices de los FRP, los adhesivos pueden dividirse en termoestables y termoplásticos. Tanto en aplicaciones húmedas, en las que adhesivo y matriz se conforman simultáneamente, como en productos prefabricados aplicados con adhesivo, el material más común es la resina epoxi bicomponente;; alternativamente, pueden emplearse adhesivos de poliéster, de viniléster o de poliuretano, aunque en relación a los epoxi estos tienen menor estabilidad dimensional y su capacidad de adherencia se ve más afectada por agresiones ambientales y por la humedad.
2.2.3 Fabricación
La presentación de los productos comerciales de FRP está relacionada con su colocación, y puede ser de dos formas: prefabricada (precured) o en forma de tejido o trenzado de fibras. Los segundos no se convierten en materiales compuestos hasta su colocación en obra, momento en que se aplica la matriz.
En el caso de los composites prefabricados, el FRP sale de fábrica con una determinada sección y una relación fibras/matriz fija. Los perfiles pueden fabricarse con técnicas de pultrusión y de laminación, dando lugar a múltiples formatos que incluyen láminas, tiras de distintos anchos, pletinas, barras y piezas angulares rígidas.
Los productos FRP laminados y pultrusionados suelen tener una distribución unidireccional de fibras, con fracciones volumétricas de fibras comprendidas entre el 40% y el 70% de la sección. El adhesivo se aplica en el momento de la puesta en obra, debiendo ser compatible con la matriz. En la figura 2.2 se muestran algunos de los productos prefabricados de FRP disponibles.
Figura 2.2. Productos laminados y pultrusionados de FRP
Los tejidos (unidireccionales o bidireccionales) y cordones de fibra están disponibles en varias medidas y se caracterizan por ser suministrados en estado flexible, sin la matriz;; en este caso la matriz funciona al mismo tiempo como adhesivo, y se aplica en el momento de la colocación del refuerzo. Al depender de la mano de obra de instalación, el espesor del refuerzo es más difícil de determinar que en los laminados, por lo que las propiedades del fabricante se expresan en términos del tejido y no del refuerzo.
En la ejecución de refuerzos con tejidos y cordones de fibras suele distinguirse entre dos procesos de aplicación: húmedo y preimpregnado. En el primero se impregna el soporte y posteriormente se aplica el tejido con ayuda de rodillos o espátulas para evitar la formación de burbujas;; para asegurar una correcta impregnación se termina con otra capa de resina;; una ventaja esencial de los sistemas húmedos es que permiten aplicar refuerzos a soportes irregulares, doblando el tejido. En los sistemas de aplicación preimpregnados se impregna el refuerzo con resina, se adhiere al soporte, y se cura in-situ;; el resultado son laminados de pequeño espesor (en torno a 0,15 mm) con resina parcialmente polimerizada antes de su instalación.
Es habitual en la vía de aplicación preimpregnada que se requiera refrigeración para un correcto curado, y en elementos reforzados inferiormente puede precisarse también un sistema de sujeción temporal para evitar la deslaminación durante el endurecimiento de la resina.