Caracterización y determinación de propiedades mecánicas de fractura para un sistema adhesivo- Guadua Angustifolia

Texto completo

(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA. CARACTERIZACION Y DETERMINACION DE PROPIEDADES MECANICAS DE FRACTURA PARA UN SISTEMA ADHESIVO- GUADUA ANGUSTIFOLIA. PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERA MECÁNICA. POR: ZARELA ALEJANDRA ÁVILA ÁVILA. ASESOR: JUAN PABLO CASAS Ph.D.. Bogotá, D.C., Diciembre de 2010..

(2) Tabla de contenidos 1.. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1. 2.. ANTECEDENTES ..................................................................................................................... 3 2.1. Guadua angustifolia..................................................................................................................3. 2.1.1.. Proceso de fabricación de tablillas laminadas................................................................. 3. 2.1.2.. Propiedades físicas y mecánicas de tablillas laminados.................................................. 5. 2.1.3.. Efecto de la humedad sobre la madera .......................................................................... 6. 2.2. Adhesivos para madera con fines estructurales ......................................................................7. 2.2.1 3.. METODOLOGÍA DE TRABAJO ............................................................................................... 17 3.1. Metodología para calcular el módulo elástico del adhesivo ..................................................17. 3.1.1.. Ensayo de tensión.......................................................................................................... 17. 3.1.1.1. Comentarios sobre el proceso de fabricación de probetas para ensayos de tensión .. 17. 3.1.2.. Ensayo de flexión en tres puntos .................................................................................. 20. 3.2. Metodología para calcular la energía de fractura en modo de falla I ....................................23. 3.2.1. 4.. 5.. Melanina-ureaformaldehido (MUF) .............................................................................. 8. Descripción de los escenarios para medir el efecto de la humedad y el tiempo .......... 26. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES ................................................................ 27 4.1. Resultados del ensayo de flexión en tres puntos para el adhesivo .......................................27. 4.2. Resultados del ensayo en modo de falla I para el sistema adhesivo guadua-angustifolia ....29. 4.2.1.. Tipos de falla observados .............................................................................................. 30. 4.2.2.. Energía de fractura ........................................................................................................ 33. 4.2.3.. Tipos de curvas obtenidas experimentalmente ............................................................ 35. MODELO DE SIMULACIÓN EN MODO DE FALLA I DEL SISTEMA ............................................. 37 5.1.. Definición de los parámetros de la zona cohesiva .................................................................37. 5.2.. Análisis del comportamiento del modelo en función de los parámetros ..............................38. 5.2.1.. Influencia de. 5.2.2.. Influencia del tamaño de malla ..................................................................................... 39. 5.3.. ....................................................................................................... 38. Calibración del modelo de simulación con base en el modelo experimental ........................40. 6.. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 43. 7.. REFERENCIAS ...................................................................................................................... 44. 8.. ANEXOS .............................................................................................................................. 45.

(3) 1.. INTRODUCCIÓN. La guadua es un tipo de bambú leñoso, del cual se estima existen cerca de 1.000 especies en el mundo, 500 de ellas en América. Colombia goza de una especie que posee una de las mejores propiedades físico-mecánicas y extraordinaria durabilidad: La Guadua angustifolia (M&M, 2007). La guadua angustifolia posee propiedades estructurales que se encuentran por encima de la mayoría de las maderas. Este tipo de guadua ha sido seleccionada como una de las veinte mejores especies de bambúes del mundo con excelentes propiedades de absorción de energía y flexión para construcciones sismorresistentes (M&M, 2008). A pesar de sus caracteristicas sobresalientes la guadua sólo ha sido estudiada ampliamente en sus propiedades físicomecánicas para aplicaciones en forma rolliza. La forma rolliza de la madera se usa para la edificación en la construcción sencilla y tradicional. No obstante, sus propiedades físicomecánicas para aplicaciones estructurales en construcciones modernas han sido poco estudiadas (Gonzalez, Hellwig, & Montoya, 2009). Dada la deforestación causada por el consumo excesivo de la madera como material estructural, se ha visto el bambú como un posible sustituto. El bambú tiene como características adicionales elevadas tasas de crecimiento y en términos comparativos requiere menos recursos que la madera para su maduración. Los resultados de diversas investigaciones, dentro de las cuales se encuentra el proyecto Validación Tecnológica de Laminados de Guadua adjudicado por el Ministerio de Agricultura a la Universidad de los Andes, demuestran que los laminados de guadua poseen propiedades físico-mecánicas similares a las de madera definida como estructural en el código colombiano (Camacho Amado, 2010). Debido a lo anterior, el estudio de las propiedades mecánicas de fractura para un sistema compuesto por la unión encolada de tablillas laminadas de guadua angustifolia, puede aportar información valiosa sobre el comportamiento de este material en aplicaciones estructurales. El trabajo tiene como objetivo principal estudiar las propiedades mecánicas de la fractura para el sistema compuesto por la unión encolada de tablillas laminadas de guadua angustifolia en modo I de falla. Para cumplir con el objetivo principal se desarrollan tres objetivos específicos: 1) Determinación del modulo elástico del adhesivo utilizado; 2) Determinación de la energía de fractura Gc del sistema para modo de falla I a diferentes condiciones de humedad y tiempo; y 3) Modelamiento por medio de elementos cohesivos de la delaminación del sistema adhesivoguadua angustifolia en modo de falla I.. 1.

(4) Para la determinación del modulo elástico del adhesivo se consideran dos procedimientos: 1) el ensayo de tensión; y 2) el ensayo de flexión en tres puntos. No obstante, dada las características del adhesivo utilizado la construcción de las probetas para el ensayo de tensión no fue posible por lo cual sólo se desarrollaron pruebas de flexión en tres puntos. Para la determinación de la energía de fractura Gc del sistema en modo de falla I se diseñan cuatro escenarios en donde se consideran condiciones críticas de humedad, temperatura y tiempo. Lo anterior teniendo en cuenta que la fractura puede ocurrir por acciones no mecánicas, como la temperatura y la humedad. Finalmente, se construye un modelo de simulación del sistema en modo I de falla. Por medio de elementos finitos, el modelo busca representar la delaminación del sistema experimental. Una vez se tiene el modelo construido se estudia el efecto de variar los diferentes parámetros que definen el modelo, así mismo se definen los parámetros que mejor describen la zona cohesiva simulada.. 2.

(5) 2.. ANTECEDENTES. 2.1 Guadua angustifolia El proveedor de la guadua laminada usada en esta investigación es Colguadua, empresa colombiana especializada en el proceso industrial de inmunización y secado de la guadua para la producción de tablillas como unidad constitutiva de tableros sencillos y triples. Estos últimos son utilizados principalmente para la producción de pisos macizos laminados, además de puertas laminadas para portadas de vivienda, alcobas o baños y gabinetes de cocina. Las tablillas laminadas son la base para formar las probetas del sistema adhesivo-guadua angustifolia que se estudiará en modo I de falla. Las dimensiones de las tablillas solicitadas fueron de 22.0 ±1 mm de ancho, 9.0 ±1 mm de espesor y 1 m de largo. Estas posteriormente fueron procesadas para obtener las dimensiones requeridas para el sistema. Las tablillas laminadas se unen a través de un adhesivo mediante el proceso de prensado en caliente. En este proceso, la unión de dos tablillas forma la línea de encolado que está definida por el espesor de capa del adhesivo. Dada las características del sistema estudiado, se debe esperar que la falla se produzca en las fibras de guadua y no en la línea de encolado (Gonzalez, Hellwig, & Montoya, 2009). En general la falla ocurrirá más fácilmente por las fibras de la madera cuando la madera es de baja densidad. La densidad promedio de la guadua angustifolia es 0.548 g/cm3 (Montoya & Gonzáles, 2007) y no se considera alta para uniones encoladas comparada con otros tipos de madera. La humedad de la madera también juega un papel fundamental en la determinación de la falla, ya que un valor superior al 15% produce tensiones que deben ser soportadas por la unión encolada, induciendo la fractura en la línea de encolado y no en las fibras de guadua (Gonzalez, Hellwig, & Montoya, 2009). A continuación se presenta el proceso de fabricación de las tablillas laminadas de guadua angustifolia, asi como un resumen de sus propiedades fisicas y mecanicas mas importantes. Ademas se hacen algunas anotaciones sobre el efecto de la humedad en el comportamiento de la madera. 2.1.1. Proceso de fabricación de tablillas laminadas El procedimiento para la obtención de tablillas laminadas consta de 6 pasos básicos, los cuales se muestran en la Figura 1 y se explican a continuación (CIMOC , 2008):. 3.

(6) 1. Las guaduas recién nacidas son marcadas con un código que permita conocer el año y el semestre de su natalicio. Con esta información se determina el momento propicio para cortar los culmos. El proceso de maduración puede durar entre 3 y 4 años. 2. En la planta, el primer paso consiste en cortar los culmos en trozos de 1.0 m de longitud, a través de una acolilladora adaptada a una mesa de trabajo. 3. Los trozos de guadua son cortados radialmente por una maquina de doble sierra, con el fin de formar las latas de guadua para la producción de los laminados. 4. Cada lata es introducida en una maquina pulidora que retira los restos de los tabiques interiores para después, y por medio de otros dos discos paralelos, retirar la epidermis y la parte más blanda del interior. 5. Las láminas son introducidas en un horno de secado. El proceso de secado se realiza a una temperatura que varía de 60°C a 80°C. Las láminas son retiradas del horno hasta cuando estas alcanzan contenidos de humedad del 5%. 6. Cuando el contenido de humedad de las laminas se estabiliza con el contenido de humedad del ambiente, las láminas son pasadas por una maquina que cepilla sus dos cantos y sus dos caras. El producto final es una lámina con sección transversal de aproximadamente 22.0 ±1 mm de ancho y 9.0 ±1 mm. de espesor.. Paso 1: Identificación de guaduas en los cultivos y corte. Paso 2: Tronzado de guaduas. Paso 3: Corte en maquina doble sierra. Paso 4: Eliminación de la piel y denudación. Paso 5: Proceso de Secado. Paso 6: Cepillado en las cuatro caras. Figura 1. Proceso de obtención de tablillas laminadas de guadua (CIMOC , 2008). 4.

(7) 2.1.2. Propiedades físicas y mecánicas de tablillas laminados En la actualidad las propiedades físico-mecánicas de los laminados de Guadua no se encuentran estandarizadas. No obstante, se tienen como referencia diversas investigaciones que buscan obtener esfuerzos admisibles para el diseño de elementos estructurales (Camacho Amado, 2010). En la Tabla 1 y 2 se enuncian las propiedades físicas y mecánicas más importantes para la guadua laminada. Las propiedades mecánicas expuestas fueron obtenidas por el Centro de Investigación en Materiales y Obras Civiles (CIMOC) de la Universidad de los Andes, en el marco del proyecto adjudicado por el ministerio de Agricultura de Colombia “Validación Tecnológica de Laminados de Guadua” (Camacho Amado, 2010). Propiedades físicas de laminados de guadua No. De Promedio Desviación Dureza ensayos (N) estándar (N) Radial Tangencial. 6036. 508. 5585. 304. 5874. 581. Promedio (g/cm3). Desviación estándar (N). 0,74. 0,02. 0,72. 0,03. Promedio (%). Desviación estándar (%). 4,03%. 0,42%. 3,48%. 0,42%. 0,33%. 0,37%. 20. Paralela No. De ensayos. Densidad Densidad seca al aire (DSA). 20. Densidad seca al ahorro (DSH). No. De ensayos. Contracción Radial Tangencial. 20. Longitudinal. Tabla 1. Propiedades físicas de laminados de guadua. Las probetas ensayadas tenían un contenido de humedad promedio de 11.5%. No. De ensayos. Propiedad mecánica. Promedio (MPa). Desviación estándar (MPa). 62. 1,9. 32271. 4081. Comprensión paralela a la fibra Esfuerzo máximo. 20. Modulo de elasticidad. Comprensión perpendicular a la fibra Esfuerzo en el límite proporcional radial Modulo de elasticidad radial. 40. Esfuerzo en el límite proporcional tangencial 5. 3,5. 0,8. 267,7. 39,7. 5,3. 2,2.

(8) Modulo de elasticidad tangencial. 455. 74,8. 143,1. 31,8. 18345. 3566,7. 2,6. 0,6. 3,3. 0,8. 9,5. 1,4. Tensión paralela a la fibra Esfuerzo máximo. 20. Modulo de elasticidad. Tensión perpendicular a la fibra Esfuerzo máximo radial. 40. Esfuerzo máximo tangencial. Corte paralelo a la fibra Esfuerzo máximo. 20. Tabla 2. Propiedades mecánicas de laminados de guadua. Las probetas ensayadas tenían un contenido de humedad promedio de 11.5%.. 2.1.3. Efecto de la humedad sobre la madera Se han desarrollado diversas investigaciones para medir el efecto de la humedad en el comportamiento de materiales de origen natural como la madera. En general, para maderas se ha encontrado que elementos con contenidos de humedad bajos poseen mayores propiedades mecánicas que aquellos ensayados en estado verde. En estas investigaciones se describen los procedimientos empleados para obtener relaciones empíricas entre propiedades mecánicas y contenido de humedad a partir de ensayos sobre probetas pequeñas libres de defectos (Camacho Amado, 2010). La Figura 2 muestra la relación encontrada entre contenido de humedad y las principales propiedades mecánicas de la madera.. Figura 2. Relaciones Resistencia-Contenido de Humedad. A) Tensión paralela al grano, B) Flexión, C) compresión paralela al grano, D) compresión perpendicular al grano, E) tensión perpendicular al grano (Wood Handbook, 2009). 6.

(9) 2.2 Adhesivos para madera con fines estructurales Los adhesivos que son utilizados para aplicaciones estructurales de madera se pueden organizar en dos grupos: los tradicionales y los nuevos adhesivos o no tradicionales (Adams, 2005). Adhesivos tradicionales. Adhesivos no tradicionales. Adhesivos naturales Colas de animales Colas de caseína. Poliuretanos (PUR) Emulsión –polímero -isocianato (EPI) Resinas epóxicas (EPX).. Resinas de formaldehidos Fenol-formaldehido (PF) Urea- formaldehido (UF) Melamina- y melamina-ureaformaldehido (MF, MUF) Resorcinol- formaldehido (RF) Fenol-resorcinol- formaldehido (PRF).. Tabla 3. Adhesivos utilizados para aplicaciones estructurales de madera (Adams, 2005).. Además de los mencionados, otros adhesivos para madera han sido utilizados con fines no estructurales y semi-estructurales (Adams, 2005). Un ejemplo es el acetato de polivinilo (PVA), usado en aplicaciones de finger-joints y en la elaboración de muebles. En general los adhesivos naturales no se utilizan para aplicaciones estructurales debido a su inadecuado comportamiento cuando son expuestos a la humedad (Adams, 2005). Las colas animales se producen a partir de los tejidos conectivos de los animales y fueron los adhesivos más comunes para aplicaciones de madera por miles de años hasta la invención de los adhesivos sintéticos en el siglo XX. Las colas de caseína provienen de una proteína de la leche, y al igual que las colas animales hoy en día su uso es casi obsoleto (RIC, 2000). En la madera los adhesivos no tradicionales como los poliuretanos y las resinas epóxicas generalmente se usan en aplicaciones que requieren combinar ésta con otros materiales como por ejemplo el acero y el vidrio. También pueden ser utilizados para llenar agujeros de más de 2 mm de ancho, haciéndolos adecuados para aplicaciones de reparación. Los poliuretanos, a condición de una línea de encolado delgada (preferiblemente menor a 0.3 mm), son adecuados también para adherir madera con alto contenido de humedad (Adams, 2005). En la actualidad, a pesar del desarrollo de nuevos adhesivos su uso no es generalizado. La razón principal es la falta de métodos de ensayo y procedimientos de certificación; sólo existen 7.

(10) procedimientos avalados para adhesivos aminoplásticos y fenólicos (Adams, 2005). Hoy en día se están desarrollando metodologías que certifiquen el uso de nuevos adhesivos para aplicaciones estructurales de madera en procesos de producción. Las resinas de formaldehidos son adecuadas para aplicaciones que requieran uniones estructurales fuertes. La ureaformaldehido y el fenol-formaldehido son los adhesivos más utilizados en productos compuestos de madera, tales como placas MDF (Medium Density Fiberboard) y madera prensada (RIC, 2000). Otros tipos incluyen melamina, resorcinol y sus variaciones. Concentraciones de formaldehido superiores a una parte por millón (ppm) puede producir irritación de los ojos o la garganta en la mayoría de las personas; diez partes por millón son intolerablemente irritantes (RIC, 2000). A continuación se hace un resumen de las principales propiedades físicas y químicas de la melamina-urea-formaldehido, la cual hace parte de las resinas de formaldehidos y es el adhesivo usando en la presente investigación. 2.2.1 Melanina-ureaformaldehido (MUF) Las resinas de melamina-formaldehido (MF) y melamina-urea-formaldehido (MUF) se encuentran entre los adhesivos más utilizados para la unión de paneles exteriores y semiexteriores de madera. Por su estabilidad química (inerte), porosidad y absorbencia nula, resisten el contacto con muchas sustancias, tales como ácidos y bases suaves, alcoholes, solventes como el benceno, aceites naturales y grasas. Por esto también se usan para impregnar hojas de papel para la producción de cubiertas auto-adhesivas y laminados auto-adhesivos, para productos de madera tales como tablas de mesa, áreas de trabajo pesado en casas y fábricas, paneles de pared, entre otros. Su alta resistencia al ataque del agua las distingue de las resinas de ureaformaldehido (UF). A continuación se presenta un resumen de las principales propiedades física y químicas del MUF el cual es el adhesivo usado en la investigación. La información es un resumen de la investigación de A. Pizzi (Pizzi, 1994). Química La reacción de condensación (polimerización) de la melamina con formaldehido es similar en estructura a la de urea con formaldehido. Primero, el formaldehido ataca las aminas de la melamina, formando compuestos de metilol, luego se forman puentes de metileno y éter para unir estos compuestos, haciendo que el tamaño molecular de la resina crezca rápidamente. Estos compuestos intermedios son los que conforman las resinas comerciales. El proceso de curado final ocurre cuando reaccionan las aminas y los compuestos de metilol que faltan, formando así una resina insoluble e infusible. 8.

(11) Sin embargo, al ser la melamina menos soluble en el agua que la urea, la etapa hidrofílica de la reacción procede más rápido en el MF; así aparecen compuestos hidrofóbicos intermedios más rápidamente, que le dan al MF mayor resistencia al ataque del agua.. Figura 3. Polimerización del MF (Pizzi, 1994).. Resinas mixtas de melamina Al ser los adhesivos de MF costosos, las resinas de MUF se han hecho económicamente más viables por la adición de urea. No obstante, a pesar de su uso generalizado y su importancia económica, la literatura existente sobre las resinas de melamina constituye sólo una pequeña fracción de la dedica a las resinas de UF. Con frecuencia, las resinas de MF y MUF son descritas como un subconjunto de las amino resinas de UF. Sin embargo, lo anterior se considera inadecuado porque éstas tienen propiedades y características que las hacen muy diferentes de las resinas de UF. Adicional a la urea, también se les ha agregado Fenol, formando la resina llamada PMUF (Phenol Melamine Urea Formaldehyde). Sin embargo, aunque se creía que con la adición de fenol se mejoraba la resistencia al ambiente, se ha visto que el desempeño de estas resinas es incluso menor que el de una resina MUF de alta gama. El fenol se une a la cadena polimérica pero no contribuye a endurecer la estructura, por lo que se vuelve un grupo inútil. Preparación Las resinas de MF son característicamente rígidas y frágiles. Cuando se preparan resinas para impregnar cubiertas de papel, se deben adicionar compuestos modificadores para darle más flexibilidad y mejor disipación visco-elástica a la junta, tales como acetoguanamina, ε9.

(12) Caprolactam y p-Tolueno sulfonamida. Estos compuestos reducen el número de enlaces en la polimerización, permitiendo solamente enlaces en segmentos lineales; así reducen la rigidez y fragilidad de la resina. Sin embargo, para utilizar la resina en madera no se requiere de dichos compuestos. Por el contrario, se agrega dimetil-formamida, el cual es un buen solvente para la melamina y asegura que ella está disponible para reaccionar con el formaldehido, fomentando que se produzcan más enlaces entre los compuestos. También se utiliza azúcar, para reducir el costo de la resina, pero se debe utilizar en bajas concentraciones (o incluso no utilizar) ya que con el envejecimiento causan manchas amarillas y fisuras en los laminados de MF, así como también disminuyen la resistencia al agua a largo plazo. Las resinas de MF que serán usadas para adhesivos en madera deben ser preparadas de manera diferente que las resinas para laminados y papel impregnado. Las resinas para impregnar deben tener una viscosidad baja, precisamente para poder penetrar el papel, mientras que las resinas para madera deben tener una viscosidad alta (ser “más condensadas”) para que el adhesivo no penetre en la madera y se pueda usar para la adhesión de los elementos. La polimerización de la resina MF depende de su pH: reducir el pH acelera la reacción, y viceversa. Así, cuando se alcanza la máxima temperatura en la reacción, se reduce el pH para acelerarla, y cuando se esté cerca del final de la reacción se sube de nuevo el pH, para controlar con más precisión el final de la misma (determinado por el punto de turbidez y el punto de tolerancia al agua). Los materiales endurecedores son aquellos que liberan ácidos al ser activados (al contacto con la resina o con calor). Para los adhesivos de MF y MUF es una práctica bien establecida agregar sales de amonio, como cloruro de amonio o sulfato de amonio, como endurecedores (igual que el procedimiento estándar para las resinas UF). Sin embargo, se debe mantener la concentración de la sal de amonio baja porque se puede generar gas de amoniaco durante el proceso de curado en caliente, causando alta porosidad en el producto final. Técnicas para la reducción del contenido de melamina en la conformación de las resinas de MUF Existen dos métodos tradicionales para la producción de resinas de MUF: el primero, a través de un proceso de copolimerización de los componentes; y el segundo a través de la mezcla de las resinas preformadas de UF y MF. En general, las resinas de MUF obtenidas a través de copolimerización de los componentes muestran mejores propiedades mecánicas que las 10.

(13) obtenidas a través de las resinas preformadas de UF y MF. La proporción en masa melamina urea comúnmente usada en la producción de resinas de MUF, está en el rango de 50:50 a 30:70 (Pizzi, 1994). A continuación se describen algunas técnicas que a partir de la adición de sales a la resina preformada de UF permiten una reducción de la cantidad de melamina necesaria para el proceso. En la actualidad se han desarrollado técnicas que eficazmente permiten la reducción del contenido de melanina en las resinas de MUF sin afectar su rendimiento mecánico. Al presente, algunas de estas técnicas están en las primeras etapas de industrialización, de tal forma que se permita su aplicación a gran escala. Estas técnicas usan sales de melanina, como el acetato de melamina, las cuales funcionan como un endurecedor de la resina de UF que posteriormente participará en la formación de MUF. De forma general se define una sal como el producto de una reacción química entre una base y un acido. A través del desarrollo de estas técnicas se ha corroborado que es posible obtener una mezcla con proporción en masa melamina urea de 10:90 que muestre propiedades de resistencia al agua similares a las obtenidas a través de una mezcla con proporción en masa melamina urea en el rango de 30:70 a 40:60 (Pizzi, 1994). Es decir, el porcentaje de melamina requerido es mucho menor (aproximadamente 1/3 de la cantidad usada en el sistema tradicional) y por ende los costos también. De forma simple, las nuevas técnicas son implementadas a través de dos procedimientos: 1) Por la adición de sales de melamina en la mezcla de la resina de UF, eliminando así la necesidad de prefabricar una resina de MUF. Se ha demostrado que la eficiencia de este procedimiento depende de la solubilidad relativa de la sal de melamina utilizada, la cual a su vez depende de la fuerza del acido empleado para formar la sal (la fuerza de un acido depende de la concentración de iones hidronio; entre mayor es el numero de iones hidronios mayor es la fuerza del acido). En general, la solubilidad de las sales utilizadas depende también de la temperatura, a mayor temperatura mayor solubilidad. 2) por el uso de sales en las cuales se ha eliminado el exceso de acido. Estas sales son adicionadas a las resinas de UF con las cuales posteriormente se forma el MUF. No obstante, este tipo de procedimiento requiere la adición de un endurecedor para resinas aminoplásticas como el sulfato de sodio o cloruro de sodio. Se estima que los métodos tradicionales desperdician alrededor de 2/3 de la melanina usada para la producción de MUF, las razones que sustentan esta afirmación se explican a continuación. En la preparación de resinas precopolimerizadas de MUF, durante las reacciones desarrolladas a altas temperaturas, la melamina reacciona con el formaldehido para formar cadenas de MF que después se enlazan a las cadenas de UF. Se ha demostrado que a través de los métodos tradicionales, el endurecimiento de las resinas de MUF se produce casi 11.

(14) exclusivamente por la interconexión de dos moléculas de melaminas a través de puentes de – CH2–. Debido a la baja reactividad de la urea sólo una molécula de urea participa en la reacción, por su parte tres moléculas de melamina participan en ésta (Ver Figura 4a). El uso de sales de melamina en la mezcla del adhesivo permite que moléculas individuales de melamina sean insertadas en las cadenas de UF, lo cual a su vez permite que sólo una de las tres moléculas de melanina sea necesaria en la reacción (Ver Figura 4b). En las siguientes dos reacciones químicas las letras M y U representan la forma de una molécula individual de melamina y urea respectivamente. U–CH2–M–CH2–M–CH2–M a). U–CH2–M b). Figura 4. Representación de la reacción química para la producción de MUF. En la Figura a) se muestra la representación para los métodos tradicionales y en la Figura b) se muestra la representación para las nuevas técnicas.. La interconexión de las cadenas de MF y UF usando un menor número de moléculas de melamina no afecta las propiedades mecánicas del adhesivo por las siguientes razones: 1) sólo una de las melaminas en las cadenas reaccionará, las otras no participan en la interconexión final; y 2) el enlace no se verá fortalecido por tener más cadenas de MF reaccionando en un mismo espacio de la red, todo lo contrario el enlace tiende a ser más rígido y frágil. Dado lo anterior es claro que a través de los métodos tradicionales al menos 2/3 de la melamina presente en el MUF no contribuye en un mejoramiento de las propiedades mecánicas del adhesivo. El nuevo sistema presenta un gran número de ventajas no sólo por su simplicidad sino también por la cantidad de melamina requerida. Con las formulaciones actuales se puede considerar un proceso de post-curado, como el almacenamiento en caliente o un tratamiento térmico, para mejorar el desempeño de las uniones pegadas con MUF. Las formulaciones anteriores tendían a degradarse si se les hacía un calentamiento post-curado; sin embargo, incluso si las resinas actuales empiezan a degradarse, el post-curado restaurará la resistencia de la junta a un valor incluso mayor que el obtenido con el curado.. 12.

(15) Figura 5. Análisis termomecánico de una junta adherida. Se muestra el modulo alcanzado en un calentamiento isotérmico a 180°C por 8 minutos (curva de abajo) y el modulo alcanzado después de enfriar y recalentar a 100°C por 8 minutos (curva de arriba) (Pizzi, 1994).. Las resinas preparadas de forma diferente tienen comportamientos y desempeños diferentes. Se consideran tres tipos de preparación resinas MUF: 1) Primero se prepara la resina UF y luego se agrega la melamina una vez que se haya formado el polímero UF. En este caso, la melamina se enlaza con el polímero UF como melamina sencilla y en la forma de un oligómero corto de MF. 2) Se mezclan la melamina, la urea y el formaldehido y reacciona todo simultáneamente. En este caso, se presentan resinas de MF sumergidas en urea sin reaccionar, melaninas sencillas enlazadas al polímero UF y oligómero corto de MF enlazado al UF. 3) A una resina UF se le adicionan sólidos de monoacetato de melamina (sal). En este caso, sólo se observan monómeros de UF y sales de melamina. En el tipo de preparación 2), se pierde mucha melamina, debido a la cantidad de estructuras que se forman que no aportan resistencia a la resina. La preparación 1) tendrá estructuras intermedias entre las del tipo 1) y tipo 2), aunque igualmente se pierde una porción considerable de la melanina usada. El tipo de preparación 3) tendrá estructuras resistentes sin usar tanta melamina, obteniendo el mejor desempeño. Para que una resina con la fabricación 1) tenga la misma resistencia que una resina con fabricación 3) debe usar 2.5 veces más melamina. Algunos aditivos, como los acetales – metilal y etilal – también reducen la cantidad de melamina requerida para formar la resina MUF, así como también disminuyen la cantidad de resina necesaria para la adhesión de una junta, manteniendo las mismas propiedades. Los acetales funcionan como solventes para la melamina, optimizando su uso en la polimerización; también mejoran la capacidad de almacenaje para los impregnados de papel auto-adhesivos. 13.

(16) Proceso de curado (diagrama TTT y CHT) El diagrama TTT (Transformación-Tiempo-Temperatura) y CHT (Transformación de calor continuo) muestran el comportamiento de un material al variar su temperatura en el tiempo. Para la resina por sí sola, o en sustratos que no interactúan, el comportamiento es similar al de una resina epóxica en fibra de vidrio (ver Figura 6a). Sin embargo cuando se analiza el comportamiento de una resina en madera, se ven algunas diferencias, especialmente a altas temperaturas (ver Figuras 6b y 6c). A temperaturas superiores a los 200°C, la madera se empieza a degradar, modificando así el comportamiento de la resina en los diagramas TTT y CHT, para indicar el efecto de degradación del sustrato. También se ve un flujo de agua de la madera hacia la resina, lo cual influye en el comportamiento de la misma. Por lo tanto, a altas temperaturas se está caracterizando todo el sistema de resina y sustrato; lo cual es importante ya que así se tiene un mayor dominio sobre el complejo sistema de la unión adherida (Pizzi, 1994).. a). 14.

(17) b). c) Figura 6. Representación de los diagramas TTT y CHT. En la Figura a) se observa el diagrama TTT y CHT de una resina sobre un sustrato no reactivo, en la Figura b) el diagrama TTT de los adhesivos MUF, PRF, UF y PF sobre madera, y en la Figura c) el diagrama CHT de los adhesivos MUF, PRF, UF y PF sobre madera (Pizzi, 1994).. 15.

(18) Condiciones de operación Dado los objetivos de la investigación es importante determinar la temperatura máxima de operación del adhesivo la cual corresponde a su temperatura de transición vítrea. Lo anterior se hace mediante el análisis de una calorimetría diferencial de barrido (DSC). Un DSC es una técnica termoanalítica para analizar la transición térmica de un polímero. El resultado típico es una curva de flujo calorífico versus temperatura donde se observan las tres transiciones térmicas del material: 1) temperatura de transición vítrea (Tg) la cual corresponde a la primera caída de la curva; 2) temperatura de cristalización (Tc) la cual se observa como un pico sobre la curva; y 3) la temperatura de fusión (Tm) la cual se observa como una gran depresión sobre la curva. El análisis DSC para el MUF utilizado se muestra en la Figura 7 donde sólo se identifican marcadamente dos transiciones térmicas. La primera corresponde a Tg con un valor medio de 101.14°C, y la segunda a Tm con valor de 176.02°C. La ausencia de una temperatura de cristalización evidente indica que la resina utilizada no tiene la capacidad de cristalizar o que la cristalización es muy leve, lo cual nos indica que el material utilizado puede ser amorfo o semi-cristalino.. Figura 7. Curva de flujo calorífico versus temperatura. La tasa de calor empleada fue de 5°C/ min.. 16.

(19) 3.. METODOLOGÍA DE TRABAJO. 3.1 Metodología para calcular el módulo elástico del adhesivo Se implementan dos metodologías para determinar el modulo elástico del adhesivo. La primera se basa en la norma ASTM D638-08 que define un ensayo de tensión para materiales plásticos, la segunda se basa en las normas ASTM D790-10 y ASTM D3043-00 que definen ensayos de flexión en tres puntos para materiales plásticos y paneles estructurales respectivamente. En ambos casos la maquina a ser utilizada es una INSTROM 3367con celda de carga de 0-30 kN. 3.1.1. Ensayo de tensión La metodología para calcular el módulo elástico en tensión se basa en la norma ASTM D638-08 titulada “Tensile Properties of Plastics”. La norma tiene como fin determinar propiedades de tensión para plásticos reforzados y no reforzados usando probetas con forma de mancuernas (dumbbell-shaped). La norma define diferentes tipos de probetas en función del material ensayado. Dada las propiedades del adhesivo se seleccionan probetas tipo 1, las cuales corresponden a plásticos semirrígidos y rígidos. La geometría de las probetas se muestra en Figura 8.. Figura 8. Geometría de las probetas para ensayos de tensión. Medidas en mm ± 0,5. Las probetas fueron construidas en un molde metálico a temperatura ambiente. La composición usada del adhesivo en masa fue 45% MF, 45% UF y 10% de catalizador. El periodo de curado fue de aproximadamente 12 días. 3.1.1.1 Comentarios sobre el proceso de fabricación de probetas para ensayos de tensión Debido a que no fue posible obtener las probetas a temperatura ambiente, se diseñaron 3 escenarios adicionales. No obstante, no fue posible obtenerlas debido a que en todos los 17.

(20) escenarios se presentaron problemas de distintos tipos. A continuación se hace un resumen de los escenarios propuestos y los problemas presentes en cada uno.. Escenario. No. De Probetas. Temperatura de prensado (°C ). Fuerza de prensado aplicada al molde al inicio de la prueba (lbf). Tiempo total en prensa. 1 2 3 4. 6 6 6 6. T ambiente 50 70 90. NA 15000 15000 15000. NA 5 horas 5 horas 5 horas. Tabla 4. Características de los escenarios a ser estudiados en la construcción de probetas para ensayos de tensión.. Primer escenario A temperatura ambiente y sin aplicar ninguna presión sobre el molde, el adhesivo tuvo un periodo de curación de aproximadamente 12 días. Las probetas resultantes se pandearon marcadamente como se observa en la Figura 9; dado lo anterior las probetas no son útiles para pruebas de tensión. Sin embargo, la calidad superficial es buena, no se observan porosidades en las probetas resultantes. Se fracturan 4 de las 6 probetas fabricadas.. Figura 9. Primer escenario, probetas para ensayos de tensión fabricadas a temperatura ambiente. En la figura se muestra las 2 únicas probetas que se obtuvieron completas y su flexión marcada.. Segundo escenario A 50°C, se observa un incremento porcentual en la fuerza de prensado de 73.3%. La calidad superficial de las probetas disminuye con respecto al escenario anterior, observándose microporosidades a lo largo de la superficie. Se fracturan 5 de las 6 probetas fabricadas. 18.

(21) Tercer escenario A 70°C, se observa un incremento porcentual en la fuerza de prensado de 153.3%. La calidad superficial de las probetas disminuye marcadamente con respecto a los escenarios anteriores. Empiezan a aparecer una clase de “porosidades gigantes”. Se fracturan todas las probetas fabricadas. Cuarto escenario A 90°C, se observa un incremento porcentual en la fuerza de prensado de 166.7%. La calidad superficial de las probetas es la peor de todos los escenarios analizados. Se observa también una alta contracción del material, además de grandes porosidades. Se fracturan todas las probetas fabricadas.. a) b) Figura 10. Contracción y porosidades de las probetas para ensayos de tensión fabricadas a 90°C. En la figura a) se observa la gran contracción sufrida por una de las probetas (observar el marco del molde metálico), la figura b) muestra un “poro gigante”.. La Figura 11, muestra la oxidación de la lámina metálica usada para cubrir el molde de las probetas fabricadas a 90°C. Esta lámina presentó oxidación en todos los escenarios, lo cual demuestra la liberación de agua del adhesivo durante el proceso de curado.. 19.

(22) a) b) Figura 11. Oxidación de la lámina metálica usada para cubrir el molde de las probetas para ensayos de tensión fabricadas a 90°C.. En general, se observa que las probetas acumulan grandes esfuerzos residuales producto del proceso de curado. Lo anterior es evidente en el pandeo de las probetas en el escenario 1, y en la contracción y rotura sufrida en los demás escenarios. En los escenarios 2-4 se observa un incremento considerado en la fuerza final de prensado y una disminución en la calidad superficial con el aumento de la temperatura. 3.1.2. Ensayo de flexión en tres puntos La metodología para calcular el módulo elástico en flexión se basa en la norma ASTM D790-10 titulada “Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials”, y la norma ASTM D3043-00 titulada “Standard Test Methods for Structural Panels in Flexure”. La norma ASTM D3043-00 es usada porque provee un método para hallar el modulo elástico sin necesidad de obtener la curva esfuerzo -deformación unitaria mediante la teoría de flexión en vigas. La norma ASTM D790-10 tiene como fin determinar propiedades de flexión para plásticos reforzados y no reforzados, incluidos materiales compuestos y aislantes eléctricos en forma de barras rectangulares. El método se aplica a tanto materiales rígidos como semirrígidos y utiliza un sistema de carga de tres puntos aplicado a una viga simple. Existen dos procedimientos especificados por la norma: Procedimiento A: Diseñado para materiales que en términos comparativos se rompen con pequeñas deflexiones. Procedimiento B: Diseñado para materiales que resisten grandes deflexiones durante la prueba.. 20.

(23) Dada las propiedades del adhesivo en estudio se seguirá el procedimiento A. La configuración del ensayo y la geometría de las probetas se muestran en las Figuras 12 y 13.. Figura 12. Esquema del ensayo de flexión en tres puntos.. Figura 13. Geometría de las probetas para ensayos de flexión en tres puntos. Medidas en mm ± 0,5. Según la configuración del sistema los dos rodillos inferiores permanecen estáticos, mientras el rodillo superior aplica la fuerza a una velocidad dada por la siguiente ecuación:. Ecuación 1. Velocidad de carga del rodillo superior en el ensayo de flexión en tres puntos.. Donde: = = = =. Velocidad de carga del rodillo superior (mm/min) Longitud entre el centro de los rodillos inferiores (mm) Espesor de la probeta (mm) Tasa de deformación de la superficie externa de la probeta (mm/mm/min). Puede ser igual a 0.01. Dada la configuración del sistema, los resultados del ensayo muestran el comportamiento del material cerca de la superficie de la probeta. El máximo esfuerzo, sobre la superficie externa de 21.

(24) la probeta, debe ocurrir en el punto medio de la misma. El esfuerzo de flexión puede ser calculado para cualquier punto mediante la siguiente ecuación:. Ecuación 2. Esfuerzo de flexión en el ensayo de flexión en tres puntos.. Donde: = = = = =. Esfuerzo de flexión en el punto medio de la probeta (MPa) Carga en un punto dado de la curva carga-deformación (N) Longitud entre el centro de los soportes inferiores (mm) Ancho de la probeta (mm) Espesor de la probeta (mm). Según la norma ASTM D3043-00, el módulo elástico para un ensayo de flexión en tres puntos puede ser calculado mediante la siguiente ecuación:. Ecuación 3. Módulo elástico en el ensayo de flexión en tres puntos Donde: = = = = =. Módulo elástico en flexión (MPa). Carga en el punto de deflexión máxima (N) Longitud entre el centro de los rodillos inferiores (mm) Momento de inercia (mm4) Deflexión máxima. Las probetas fueron construidas en un molde metálico a temperatura ambiente (Ver Figura 14). La composición usada del adhesivo en masa fue 45% MF, 45% UF y 10% de catalizador. El periodo de curado fue de aproximadamente 12 días.. 22.

(25) Figura 14. Molde metálico usado para la construcción de las probetas del ensayo de flexión en tres puntos.. 3.2 Metodología para calcular la energía de fractura en modo de falla I La metodología para calcular la energía de fractura en modo de falla I se basa en la norma ASTM D3433-99 titulada “Standard Test Method for Fracture Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Metal Joints”. La maquina a ser utilizada es una INSTROM 3367con celda de carga de 030 kN. La velocidad de aplicación de la carga es de 5 mm/min. La norma especifica que si bien este método está diseñado para utilizarse en aplicaciones de metal a metal, puede ser usado para medir propiedades de fractura del adhesivo con sustratos plásticos teniendo en consideración el espesor y la rigidez del sustrato. Aunque no se hace ninguna anotación específica sobre la madera, se deduce que dada sus características esta norma también puede ser aplicada a este tipo de material. La geometría de las probetas hechas con base en las recomendaciones de la norma se muestra a continuación:. Figura 15. Geometría de las probetas para pruebas en modo I de falla. Medidas en mm ± 0,5. 23.

(26) La energía de fractura es calculada a través de la siguiente ecuación:. Ecuación 4. Energía de fractura en modo de falla I.. Donde: = = = = =. Carga máxima (N) Módulo de tensión del sustrato Ancho del sustrato (mm) Longitud de grieta (mm) Espesor del sustrato, normal al plano de pega (mm). Las probetas se obtienen a través de tablillas de guadua laminada de 1 ±0.01 m de largo, 22.0 ±1 mm de ancho y 9.0 ±1 mm. de espesor; las tablillas se muestran en la Figura 16.. a). b). Figura 16. Tablillas de guadua laminada obtenidas de fábrica.. El procedimiento para la obtención de las probetas se describe a continuación: 1. Las tablillas laminadas de guadua, son cortadas en tablillas de 32.5 cm de largo en una máquina sierra de cinta sinfín. 2. Las tablillas son lijadas por sus dos cantos y sus dos caras. 3. Una tablilla de guadua laminada tiene dos caras: cara interior y cara exterior. En la cara interior las fibras se encuentra más juntas y a medida que se avanza hasta la cara exterior las fibras se separan. El adhesivo siempre se adiciona en la cara interior de la 24.

(27) tablilla. Una línea recta se dibuja sobre la cara interior para separar la parte que no debe llevar adhesivo de la que sí. La línea se dibuja a 52.0 ± 0.5 mm de uno de los extremos, según indicaciones de la norma ASTM D3433-99.. Figura 17. Vista frontal de una tablilla de guadua laminada.. Figura 18. Línea recta que separa la parte que no debe llevar adhesivo de la que sí.. 4. La superficie de las tablillas es limpiada por aire a presión, y dejadas en reposo por 24 horas. 5. La mezcla de adhesivo se prepara justo antes de ensamblar las probetas. La composición del adhesivo en masa es 45% MF, 45% UF y 10% de catalizador. Los componentes se miden en una balanza y se mezclan en un beaker con la ayuda de una espátula. 6. El adhesivo y las tablillas de guadua lámina son colocadas en una mesa. Una probeta se conforma de dos tablillas y adhesivo en la mitad de ambas. Con la ayuda de la espátula, se adiciona y esparce el adhesivo en una de las caras de la tablilla, seguidamente se repite el procedimiento para la segunda tablilla y se ensamblan.. Figura 19. Aplicación del adhesivo sobre la cara interna de la tablilla. 25.

(28) 7. Las probetas son puestas en grupo de 7 en la prensa de moldeo, a una temperatura de 45°C durante 3 horas. La fuerza aplicada es de 40.000 libras fuerzas. Una vez finalizado éste paso, las probetas están listas para ser introducidas a la máquina de envejecimiento.. Figura 20. Maquina de envejecimiento.. 3.2.1. Descripción de los escenarios para medir el efecto de la humedad y el tiempo En total se construyeron 60 probetas las cuales fueron sometidas en grupos de 15 a diferentes condiciones de humedad y tiempo. La temperatura a la que fueron sometidas las probetas se seleccionó con base en un análisis DSC del adhesivo. La configuración de los escenarios planteados se muestra a continuación: Sistema adhesivo-guadua angustifolia Tiempo en horno (días) 1. 2. 3. No. de probetas. 65. 5. 5. 5. 15. 45. 75. 5. 5. 5. 15. 3. 45. 85. 5. 5. 5. 15. 4. 45. 95. 5. 5. 5. 15. Escenario. Temperatura (°C). Humedad (%). 1. 45. 2. Total probetas. 60. Tabla 5. Cantidad de probetas y escenarios de humedad relativa definidos para la caracterización del sistema. 26.

(29) 4.. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES. A continuación se presentan los resultados de las pruebas de flexión en tres puntos para el adhesivo, y las pruebas en modo de falla I para el sistema adhesivo guadua-angustifolia las cuales fueron desarrolladas según la metodología explicada anteriormente. Las pruebas de tensión para el adhesivo no pudieran ser implementadas por las razones expuestas en el ítem 3.1.1.1. 4.1 Resultados del ensayo de flexión en tres puntos para el adhesivo Las pruebas se realizaron según la norma ASTM D3433-99, la cual fue descrita anteriormente. Las características específicas de cada ensayo se observan en la Tabla 6. En total se ensayan 5 probetas y una imagen del montaje real se observa en la Figura 21. No. De Probeta 1 2 3 4 5. Ancho, b (mm) 12,03 12,15 12,01 12,00 12,03. Espesor, h (mm) 2,77 3,20 2,96 2,84 2,81. Distancia entre rodillos, L (mm) 50 50 50 50 50. Tabla 6. Características específicas de cada ensayo de flexión en tres puntos.. Figura 21. Montaje real del ensayo de flexión en tres puntos.. En la Figura 22 se muestra una curva Esfuerzo vs. Deflexión representativa de los resultados obtenidos. Los resultados específicos de cada ensayo se muestran en la Tabla 7. 27.

(30) Figura 22. Curva Esfuerzo vs. Deflexión representativa del ensayo de flexión en tres puntos. Deflexión máxima, (mm). Máxima carga de flexión, P (N). Módulo de Young, E (Mpa). Esfuerzo de flexión máximo, (Mpa). 1 2 3 4. 1,50 1,28 0,88 1,49. 21,62 26,40 14,34 22,69. 1761,26 1618,75 1643,96 1731,28. 17,56 15,91 10,22 17,58. 5 Media Desviación. 1,27 1,28 0,25. 19,90 20,99 4,42. 1834,28 1717,91 87,89. 15,71 15,40 3,03. Probeta. Tabla 7. Resultados de los ensayos de flexión en tres puntos.. El modulo elástico promedio calculado es 1717.91 MPa, la desviación estándar es 87.89 MPa. Investigaciones sobre el adhesivo, muestran para un tipo de MUF en particular un modulo elástico de aproximadamente 500 MPa a temperatura ambiente (Pizzi & Mittal, 2003). La diferencia indica que la composición de la mezcla usada en esta investigación aumenta la rigidez del material, al menos en términos comparativos respecto a lo que se tiene como referencia. En general los resultados son uniformes para los cinco ensayos lo cual se evidencia en la desviación obtenida. En la Figura 22 se observa una especie de transición indicada por una parte semi-plana sobre la curva. La transición descrita puede ser debida a la forma de la probeta, ya que dada las características del material, el cual durante el proceso de curado tiende a sufrir una curvatura, no se obtiene una viga simple perfecta, sino un arco ligeramente marcado. La 28.

(31) transición puede indicar el punto donde la probeta deja de ser un semiarco y se convierte en una viga simple, lo anterior puede afectar las propiedades de flexión obtenidas. El punto de fractura del material, como se puede observar en la Figura 23, no ocurre en el centro de la probeta, lo cual puede ser causado también por la curvatura ligera.. a). b). Figura 23. Rotura de las probetas del ensayo de flexión en tres puntos.. 4.2 Resultados del ensayo en modo de falla I para el sistema adhesivo guadua-angustifolia Las pruebas se realizaron según la norma ASTM D790-10, la cual fue descrita anteriormente. Las características específicas de cada ensayo se muestran en el Anexo 1. En total se ensayan 60 probetas, bajo los escenarios descritos en la metodología y una imagen del montaje real se observa en la Figura 24.. a) b) Figura 24. Configuración del sistema adhesivo-guadua angustifolia para ensayos en modo I de falla. 29.

(32) 4.2.1. Tipos de falla observados En total se observan 3 tipos de falla del adhesivo: 1) falla por el sustrato; 2) falla por la fibra de la madera; y 3) falla combinada por la línea de encolado y la fibra de la madera. Se podría definir un cuarto tipo de falla, la cual no estaría relacionada directamente con el adhesivo, sino con las condiciones del experimento: 4) falla por condiciones externas propias del experimento. A continuación se explica cada tipo de falla, y se presenta una explicación para su ocurrencia. 1. Falla tipo 1, falla por el sustrato: Una falla por el sustrato indica que la grieta tiende a crecer a través de la guadua vista de forma lateral y no por la fibra de la misma. Este tipo de falla se presentó en el 16.67% de los casos.. Figura 25. Esquemático falla tipo 1, falla por el sustrato.. Figura 26. Ejemplos reales de falla tipo 1, falla por el sustrato.. 2. Falla tipo 2, falla por la fibra de la madera: En general la falla ocurrirá más fácilmente. por las fibras de la madera que por la línea de encolado cuando la madera es de baja densidad (Montoya & Gonzáles, 2007). La densidad promedio de la guadua angustifolia es 0.548 g/cm3 (Montoya & Gonzáles, 2007) y no se considera alta para uniones 30.

(33) encoladas comparada con otros tipos de madera por lo cual tiene sentido que este tipo de falla presente el mayor numero de ocurrencias. Este tipo de falla se presentó en el 61.67% de los casos.. Figura 27. Esquemático falla tipo 2, falla por la fibra de la madera.. a) b) Figura 28. Ejemplos reales de falla tipo 2, falla por la fibra de la madera. Se muestra una fotografía de cada uno de los lados de la probeta.. 3. Falla tipo 3, falla por adhesión pobre: Cuando la falla ocurre por adhesión pobre, se asume que la unión encolada no fue adecuada. Este tipo de falla puede tener dos causas: 31.

(34) 1) la presión es inadecuada y se produce desplazamiento del adhesivo; y 2) el tiempo máximo de ensamble fue excedido (el tiempo de ensamble es el tiempo transcurrido entre la aplicación del adhesivo y el prensado de las probetas). Este tipo de falla se presento en el 18.33% de los casos.. Figura 29. Esquemático falla tipo 3, falla por adhesión pobre.. a) b) Figura 30. Ejemplos reales de falla tipo 3, falla por adhesión pobre. Se muestra una fotografía de cada uno de los lados de la probeta.. 4. Falla por condiciones externas propias del experimento: Este caso es el menos ideal de todos y corresponde a un error en el diseño del experimento. Ocurre por ejemplo, cuando la falla se produce por los pines que deben soportar la carga en tensión 32.

(35) perpendicular al grano, o por la falla del sustrato en el punto donde fueron colocados los pines. Este tipo de falla se presento en el 3.33% de los casos.. Figura 31. Ejemplos reales de falla tipo 4, falla por condiciones externas propias del experimento.. 4.2.2. Energía de fractura La energía de fractura es calculada según la Ecuación 4. Cada una de las probetas fue clasificada según la humedad, el número de días en la máquina de envejecimiento y el tipo de falla observado. Un resumen de los resultados se muestra en la Tabla 8 y en las Figuras 32 y 33. Escenario Falla tipo 1 Falla tipo 2 Falla tipo 3 Falla tipo 1 Falla tipo 2 Falla tipo 3 Falla tipo 2 Falla tipo 3 Falla tipo 1 Falla tipo 2 Falla tipo 3. Promedio G1c (J/m2) T1H1 397,30 283,89 232,48 T1H2 405,87 282,66 208,16 T1H3 297,41 214,91 T1H4 342,24 248,55 156,94. Desviación G1c (J/m2) 16,69 81,70 15,76 43,24 53,91 48,38 37,11 47,47 42,53 63,04 9,65. Tabla 8. Resultados por tipos de falla y condiciones relativas de humedad.. 33.

(36) Figura 32. Resultados por tipo de falla y condiciones relativas de humedad.. Se observan diferencias significativas en la energía de fractura dependiendo del tipo de falla; sin embargo no se observa una dependencia directa entre Gc y las condiciones relativas de humedad bajo los escenarios descritos. La observación también es válida cuando se incluye la variable tiempo en el análisis de resultados como se observa en la Figura 33, donde no se encuentran variaciones significativas para probetas que presentaron el mismo tipo de falla.. Figura 33. Resultados por tipo de falla y condiciones relativas de humedad, se incluye la variable tiempo en el análisis de resultados.. Con base en los resultados experimentales también es posible dar un valor aproximado de cuanto debería ser la energía de fractura para un tipo de falla en particular. Dada la frecuencia 34.

(37) de las observaciones en cada uno de los mecanismos de falla, un intervalo adecuado para los tipos de falla 1 y 3 es dado por la distribución t de Student, por su parte un intervalo adecuado para el tipo de falla 2 es dado por la distribución normal. La distribución t de Student es una distribución de probabilidad usada para estimar la media de una población normalmente distribuida cuando el tamaño de la muestra es pequeño, en general una muestra es considerada pequeña cuando es menor a 30, (n<30). Si la media de una población es normalmente distribuida y el tamaño de la muestra es considerado grande (n>30), la distribución normal es la adecuada (Wackerly & et al, 2002). Con base en el análisis estadístico hecho, los intervalos a un nivel de confianza del 90% para cada una de los tipos de falla se muestran en la Tabla 9. Tipo de falla. Frecuencia. Promedio G1c (J/m2). Desviación G1c (J/m2). Intervalo. Fallas tipo 1. 10. 378,70. 47,46. 378,70 ± 27,51. Fallas tipo 2. 37. 281,88. 60,78. 281,88 ± 16,44. Fallas tipo 3. 11. 195,80. 41,84. 195,80 ± 22,86. Tabla 9. Intervalos un nivel del confianza del 90% para G1c según el tipo de falla.. 4.2.3. Tipos de curvas obtenidas experimentalmente Las pruebas experimentales dan como resultados curvas de Fuerza vs. Desplazamiento. Independiente del mecanismo de fractura, en general se pueden definir dos tipos de curvas: 1) continuas, y 2) discontinuas o por pasos. En ambas se observa un incremento uniforme hasta alcanzar una fuerza máxima, después de la cual prosigue una caída que puede ser continua o por pasos. Las curvas continuas se caracterizan por una caída uniforme a lo largo del proceso de delaminación, por su parte las curvas por pasos se caracterizan por partes en la curva Fuerza vs. Desplazamiento donde la fuerza se mantiene relativamente constante a pesar del desplazamiento de la mordaza, después prosigue una caída marcada de la fuerza en un desplazamiento relativamente corto. Este fenómeno se conoce como crecimiento de “stick-slip” (Ashcroft & Hughes, 2001). Un ejemplo de estos dos tipos de curvas se muestra en la Figura 34.. 35.

(38) a) Curva continua. b) Curva discontinua o por pasos Figura 34. Tipos de curvas obtenidas experimentalmente. En la figura a) se observa un ejemplo de curva continua, en la b) un ejemplo de curva discontinua o por pasos.. 36.

(39) 5.. MODELO DE SIMULACIÓN EN MODO DE FALLA I DEL SISTEMA. El modelo de simulación del sistema en modo de falla I fue construido en el programa de elementos finitos ANSYS versión 12.0. Para su construcción se usaron comandos específicos del programa que permitieron modelar la delaminación de la interfaz en dos dimensiones. El modelo consiste básicamente en definir dos grupos de elementos y una zona cohesiva entre estos dos grupos como se muestra en la Figura 35. El elemento usado para modelar la superficie de la interfaz y el proceso de delaminación posterior fue INTER 202 el cual define un elemento 2-D lineal, es decir, en el sistema cada elemento está formado por 4 nodos cada uno de los cuales tiene dos grados de libertad: traslación en la dirección x y en la dirección y.. Figura 35. Representación esquemática del modelo de simulación. El punto B se mantiene estático, y la carga es aplicada al punto A.. En la Figura 35 es posible observar también las restricciones de carga y movimientos aplicadas al sistema. Un nodo definido en el punto B se mantiene estático, mientras que la carga es aplicada en la dirección y a un nodo definido en el punto A, la carga es definida en función de un desplazamiento máximo. Los puntos A y B están localizados en el centro de las partes de la laminillas que definen la grieta inicial. 5.1. Definición de los parámetros de la zona cohesiva El modelo teórico en el cual se fundamenta ANSYS para simular la zona cohesiva es el modelo de la zona cohesiva, CZM (por sus siglas en ingles) el cual requiere la definición de dos variables: un esfuerzo máximo , y un desplazamiento normal crítico, . En el CZM la fractura ocurre en una zona específica del sistema la cual se localiza delante de la grieta. En esta zona el esfuerzo cohesivo tiene un valor máximo definido como , cuando se alcanza este valor se produce un proceso de deterioro en el cual el esfuerzo cae a cero en una distancia normal 37.

(40) critica definida como . El valor de y generalmente no se conocen y deben ser determinados por calibración experimental. Asimismo, una vez se obtengan estos valores se debe corroborar si tienen algún significado físico para el sistema. Un valor teórico para calcular la energía de fractura y que describe de forma adecuada el CZM es dado por la Ecuación 5 y una representación grafica es mostrada en la Figura 36:. Ecuación 5. Energía de fractura definida en función de los parámetros del CZM. Figura 36. Representación grafica del CZM usada para definir. 5.2. Análisis del comportamiento del modelo en función de los parámetros 5.2.1. Influencia de Para analizar el efecto de sobre el modelo de simulación y específicamente sobre las curvas Fuerza vs. Desplazamiento, dada las condiciones del experimento, se escoge como variable independiente una energía de fractura de 250 J/m2 y seguidamente con base en la Ecuación 5 se calcula para los escenarios mostrados en la Tabla 10. =250 J/m2 (MPa). (mm). Fmáx (N). 10. 0,044. 544,53. 4. 0,111. 465,9. 2. 0,222. 408,28. 38.

(41) 1. 0,444. 335,8. 0,5. 0,889. 267,76. 0,1. 4,444. 141,51. Tabla 10. Escenarios para ver el efecto de. Figura 37. Efecto de. sobre el modelo de simulación.. sobre el modelo de simulación. La energía de fractura se mantiene constante en G=250 J/m2.. influye en la pendiente de la curva, en la fuerza máxima alcanzada y en el desplazamiento al cual ocurre la fuerza máxima. No obstante, se advierte también que la propagación de la fractura es independiente de ya que a medida que avanza el desplazamiento del punto A (Ver Figura 35), las curvas tienden a seguir la misma trayectoria. Lo anterior es consecuente con estudios anteriores (Blackman & et al, 2003). Con base en la Figura 37 se observa que. 5.2.2. Influencia del tamaño de malla Para analizar el efecto del tamaño de malla sobre el modelo de simulación y específicamente sobre las curvas Fuerza vs. Desplazamiento, se diseñan 6 escenarios (ver Tabla 11) en los cuales se varia el nivel de refinamiento para las líneas en contacto con la zona cohesiva.. 39.

(42) Nivel de refinado 0 1 2 3 4 5. Reducción del tamaño de malla 0 1/2 1/3 1/4 1/8 1/9. Tabla 11. Niveles de refinamiento para el enmallado. En el enmallado original del modelo cada elemento mide 1mm de largo y 2 mm de ancho. Cuando se aplica el comando para refinamiento de malla el efecto sólo se nota en la línea seleccionada, en este caso las líneas en contacto con la zona cohesiva. Un nivel de enmallado de 2 indica por ejemplo, que los elementos seleccionados quedaran midiendo 1/3 de su tamaño original.. Figura 38. Enmallado producido para un nivel de refinamiento de 2.. Para =250 J/m2 y = 2 MPa, los resultados muestran que al reducir el tamaño de malla, incluso a 1/9 de su tamaño original (la reducción mas critica según los escenarios propuestos), la fuerza máxima sólo cambia de 408.28 N a 407,82 N, es decir la disminución es del 0,11%. Con base en lo anterior se concluye que al menos para los escenarios propuestos, el tamaño de malla no tiene influencia significativa sobre los resultados del modelo. 5.3. Calibración del modelo de simulación con base en el modelo experimental Una vez se construye el modelo de simulación se deben buscar los valores de y que mejor describan los resultados experimentales. Este proceso se hace a través de la comparación de las curvas Fuerza vs. Desplazamiento obtenidas experimentalmente y a través de la simulación. 40.

(43) El modelo de simulación describe un modelo continuo. Para seleccionar los parámetros y que mejor describan los resultados experimentales se seleccionan curvas que hayan tenido un comportamiento continuo según lo especificado en la sección anterior. Los resultados se caracterizan para los tipos de falla 1 y 2. Para calibrar el modelo de simulación se seleccionan 4 curvas experimentales para tipo de falla 1, y 9 para tipo de falla 2. Las 4 curvas seleccionadas para caracterizar el modelo de simulación para tipo de falla 1 tienen una energía de fractura promedio 340,02 J/m2 (desviación estándar de 40,20 J/m2) y alcanzan una fuerza máxima promedio de 442,95 N (desviación estándar de 27,07 N). Para una energía de fractura de 350 J/m2 los parámetros que mejor describen el modelo de simulación según la Ecuación 5 son =2 MPa y =0,311 mm; la fuerza máxima que alcanza el modelo es 462,24 N. No obstante, el modelo para tipo de falla 1 no tiene un ajuste exacto a las curvas experimentales. Un ajuste mejor se encuentra para el valor de 300 J/m2 como se observa en la Figura 39. La disminución de la energía de fractura de 350 J/m2 a 300 J/m2 representa un error de aproximadamente 14,29% en el modelo de simulación para tipo de falla 1. La fuerza máxima alcanzada disminuye de 462,24 N a 431,63 N, es decir 6,62%.. Figura 39. Calibración del modelo de simulación para las curvas con tipo de falla 1.. 41.

(44) Las 9 curvas seleccionadas para caracterizar el modelo de simulación en modo de falla 2 tienen una energía de fractura promedio 268,70 J/m2 (desviación estándar de 31,38 J/m2) y alcanzan una fuerza máxima promedio de 379,43 N (desviación estándar de 34,29 N). Para una energía de fractura de 250 J/m2 los parámetros que mejor describen el modelo de simulación según la Ecuación 5 son =2 MPa y =0,222 mm; la fuerza máxima que alcanza el modelo es 408,28 N. No obstante, al igual que el caso anterior, el modelo para tipo de falla 2 no tiene un ajuste exacto a las curvas experimentales. Un ajuste mejor se encuentra para el valor de 200 J/m2 como se observa en la Figura 40. La disminución de la energía de fractura de 250 J/m2 a 200 J/m2 representa un error de aproximadamente 20% en el modelo de simulación para tipo de falla 2. La fuerza máxima alcanzada disminuye de 408,28 N a 368,76 N, es decir 9,68%.. Figura 40. Calibración del modelo de simulación para las curvas con tipo de falla 2. Experimentalmente el valor del esfuerzo máximo de flexión para el adhesivo dio 15.40 MPa con una desviación estándar de 3.03 MPa. No obstante, la calibración del modelo de simulación, muestra que los resultados se ajustan a un esfuerzo máximo de 2 MPa. Lo anterior lleva a la conclusión que el valor de no tiene un significado físico aparente, al menos en los términos de esta investigación. Lo anterior es consecuente con los resultados de investigaciones similares (Ashcroft & Hughes, 2001).. 42.

(45) 6.. CONCLUSIONES. El adhesivo en estudio, Melanina-Urea-Formaldehido (MUF) mostró propiedades particulares que impidieron fabricar probetas para ensayos de tensión. El proceso de construcción de probetas mostró que el adhesivo libera porcentajes considerables de agua durante el proceso de curado y además acumula grandes esfuerzos residuales, evidentes en el pandeo, contracción y rotura sufrida por las probetas construidas para todos los escenarios que se diseñaron. Se observó también una disminución en la calidad superficial con el aumento de la temperatura. Los resultados experimentales para el sistema adhesivo- guadua angustifolia mostraron que la energía de fractura depende del tipo de falla. No obstante, no se observa una dependencia directa entre Gc y las condiciones relativas de humedad bajo los escenarios descritos. La observación también es válida cuando se incluye la variable tiempo en el análisis de resultados. Con respecto al modelo de simulación del sistema en modo I de falla se lograron encontrar parámetros para la zona cohesiva que se ajustan bastante bien a los resultados obtenidos experimentalmente. Los parámetros propuestos para una energía de fractura de 350 J/m2 cuando la falla es por el sustrato, fueron =2 MPa y =0,311 mm. Por su parte, los parámetros para una energía de fractura de 250 J/m2 cuando la falla es por la fibra de la madera, fueron =2 MPa y =0,222 mm.. 43.

(46) 7.. REFERENCIAS. Adams, R. (2005). Adhesive bonding, Science, technology and applications. Cambridge: Woodhead Publishing Limited. Araujo, O., & Chan, M. (2002). Los defectos naturales en la madera aserrada. Artículo de Divulgación, Ingeniería 6-1 , 29-38. Ashcroft, I., & Hughes, D. (2001). Mode I fracture of epoxy bonded composite joints: 1. Quasi-static loading. International Journal of Adhesion & Adhesives , 21, 87-99. Blackman, B., & et al. (2003). The use of a cohesive zone model to study the fracture of fibre composites and adhesively-bonded joints. International Journal of Fracture , 25-46. Camacho Amado, J. (Junio de 2010). Efecto de la Humedad en la Caracterización Mecánica de Guadua Laminada Estructural. Proyecto de Grado para optar por el título de Ingeniera Civil . Bogotá, D.C, Colombia: Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes. CIMOC . (2008). Evaluación de producción, riesgo financiero y validación tecnológica de laminados de guadua, Primer informe semestral técnico y financiero. Bogotá: Universidad de los Andes, Centro de Investigación en Materiales y Obras Civiles – CIMOC . Gonzalez, H., Hellwig, S., & Montoya, J. (2009). Determinacion del adhesivo optimo en la fabricacion de vigas de bambú. Articulos Originales, Facultad de Ciencias Agropecuarias , 67-75. M&M. (2007). La Guadua, Una Maravilla Natural de Grandes Bondades y Promisorio Futuro. Revista el Mueble y la Madera . M&M. (2008). Planta de Guadua, Realidad en el Eje Cafetero. Revista el Mueble y la Madera . Montoya, J., & Gonzáles, H. (2007). Dureza Brinell y la influencia de la humedad relativa del ambiente, de la edad y la altura a lo largo del ramo en la especie de bambú guadua angustifolia kunth. Scientia Et Technica, Universidad tecnológica de Pereira , 619-624. Pizzi & Mittal. (2003). Handbook of adhesive technology. New York. Pizzi, A. (1994). Melamine-formaldehyde adhesives. En A. Pizzi, Advanced wood adhesives technology. RIC. (2000). The Rainforest Information Centre. Recuperado el 10 de Noviembre de 2010, de The RIC Good Wood Project: http://www.rainforestinfo.org.au/good_wood/glue.htm Wackerly, D., & et al. (2002). Estadística matemática con aplicaciones. Mexico, DF: THOMSON. Wood Handbook. (2009). Wood Handbook, Agriculture Handbook (Vol. No. 113). Washington , DC, U.S.: Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory.. 44.