Materiales compuestos para la rehabilitación de estructuras

MATERIALES COMPUESTOS PARA LA REHABILITACIÓN DE ESTRUCTURAS

Carlos David Herrera Sandino

Universidad militar nueva granada

Facultad de ingeniería

Ingeniería civil

Bogotá Colombia

2015

*Martha Lissette Sanchez cruz

Tabla de contenido

MATERIALES COMPUESTOS3

    FASES O COSTITUYENTES4

     MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMERICA6

        REFUERZO ESTRUCTURAL6

FIBRAS7

FIBRAS DE CARBONO        8

FIBRAS DE VIDRIO10

        FRIBAS ORGANICAS12

RESINAS13

     RESINAS TERMOESTABLES13

          TERMOPLÁSTICOS13

LAMINAS UNIDIRECCIONALES17

    RESISTENCIA DE LAS LÁMINAS UNIDIRECCIONALES18

APLICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS COMO ELEMENTO DE REHABILITACIÓN Y REFUERZO ESTRUCTURAL19

BIBLIOGRAFIA20

MATERIALES COMPUESTOS

Las ventajas de estos materiales compuestos es que se pueden seleccionar para obtener  rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad, se empezó a tomar enserio este tipo de compuesto pasando de considerarse como un material decorativo con  propósitos arquitectónicos a materiales importantes para las estructuras como lo son refuerzos de estructuras, armaduras y recubrimiento en túneles.

Estos materiales compuestos estructurales se forman de dos o más fases en una escala macroscópica uno de los parámetros más importantes es la fracción en volumen o en peso de fibras en el material compuesto,  las cuales tienen un comportamiento mecánico y propiedades que están diseñados para ser superiores a los parámetros de los materiales que conformaron el compuesto actuando de forma independiente, las propiedades de estos material dependen de la geometría, la distribución de las fases de los elemento y la orientación del refuerzo lo cual afecta estructura atómica y molecular del sistema . La distribución del refuerzo determina la homogeneidad o uniformidad del sistema del material. A pesar de que la unión de otros materiales se hace para mejorar los aspectos principales se presenta un problema en los más heterogéneos los cuales causaran una alta probabilidad de falla en las áreas débiles.

Los materiales compuestos pueden operar en ambientes hostiles por grandes periodos de tiempo bajo fatiga, y su mantenimiento y reparación son muy fáciles de realizar, pero presenta sensibilidad a ambientes hidrotermales, en los cuales existen cambios rigurosos de humedad de la atmosfera y son causantes de daños durante su vida útil o tiempo de servicio  generando un crecimiento en los daños internos del esquema, para poder detectar y pronosticar estos posibles daños, se requiere de sofisticadas técnicas las cuales no requieren de la destrucción del sitio en estudio, en ocasiones se necesita  algunas de  la aplicación de capas protectoras contra la erosión, el daño superficial y contacto con la luz solar ya que sus rayos ultra violeta son causantes de que se rompan las cadenas moleculares de los polímeros.

Una de las ventajas más importantes de los materiales compuestos es, que el alto costo de las materias primas se compensa con el bajo costo del equipamiento y mano de obra en el proceso de preparación, ensamblado, y aplicación de los materiales compuestos directamente en los elementos de hormigón que se pretenda reforzar o reparar según el caso.

FASES O CONSTITUYENTES

En estas fases o constituyentes es primordial hablar de matriz y refuerzo, donde la matriz se considera como resina aglomerante que busca mejorar las propiedades deseadas y tiene por su parte el cometido de transmitir los esfuerzos al refuerzo, generando una función y protección del mismo, esto aporta mayor flexibilidad y proporciona la forma, pero no es desconocido que tiene menor resistencia que el refuerzo.

 El refuerzo es un material específico de relleno, que en el material compuesto nos aporta la resistencia mecánica, rigidez, dureza y de alguna manera es importante y va a ser determinante para obtener las principales propiedades mecánicas, donde las características principales corresponden a su resistencia a la tracción y un elevado modulo de elasticidad, pero vale la pena destacar que es altamente frágil.

Se sabe que existen unas clasificaciones para materiales compuestos en función de cada una de sus fases según (Javier López, refuerzo a flexión de vigas de hormigón mediante polímeros reforzados con fibra de carbono):

Dependiendo del tipo de matriz empleado:  

• Compuestos de matriz polimérica (PMC): Resinas de poliéster y resinas epóxicas reforzadas con fibra de vidrio, fibra de carbono o fibra de aramida
•  Compuestos de matriz metálica (MMC):  Aleaciones de aluminio, titanio y magnesio
• Compuestos de matriz cerámica (CMC): - Alúmina, carburo de silicio

Dependiendo del tipo de refuerzo empleado:

• Compuestos particulados: Partículas en una matriz
•  Compuestos fibrosos: Fibras en una matriz
• Compuestos laminados: Capas o láminas alternadas de las fases

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA

La matriz de un material compuesto puede llegar a ser de tipo termoestable el cual es el que encontramos más a menudo o de tipo termoplástica. La función principal de esta matriz es el resguardo de las fibras contra la abrasión y corrosión que se genere en el sitio donde se requiere la rehabilitación, ensamblar el conjunto de fibras y poder distribuir la carga de manera uniforme, esta matriz llega a tener influencia en muchas de las características mecánicas del material compuesto, resistencia y propiedades a cortante y a compresión. La influencia en la elección del proceso de fabricación depende de características tanto químicas como físicas, la temperatura de fusión y curado, la viscosidad y reactividad con las fibras esto llegando a ser muy importante para realizar un buen trabajo.

REFUERZO ESTRUCTURAL

Cuando el hormigos se enfrenta a esfuerzos a tracción no puede oponer resistencia siendo menor a los esfuerzos de compresión esto es de gran importancia tenerlo en cuenta ya que la mayoría de las estructuras en construcciones civiles requieren un equilibrio en las resistencia a los dos tipos de carga, ¿pero cómo llegar a esta solución? se puede hacer de la siguiente manera, transfiriendo los esfuerzos de tracción a los materiales más resistentes, como lo serian el acero materiales plásticos reforzados con fibras (FRP) ó materiales compuestos.

La restauración, refuerzo o rehabilitación de estructuras resulta ser uno de los campos de aplicación de mayor interés y más directamente relacionado con los nuevos materiales compuestos. La industria de la construcción no ha aceptado aún el uso estructural extenso de los nuevos materiales compuestos, porque todavía no conoce bien las ventajas respecto a los materiales tradicionales.

FIBRAS

Estos materiales compuestos son los más conocidos gracias a sus prestaciones mecánicas. La fase dispersa refleja fibras las cuales en su microestructura se denota un comportamiento muy anisotrópico donde se genera una buena estructura atómica y molecular, estas fibras están constituidas por hilos o cilindros cuya dimensión está entre 2-10 µm de diámetro y 1 mm de longitud. Entre sus propiedades principales se puede destacar que el módulo de elasticidad no genera ningún cambio con el tamaño del material, este modulo tan solo dependería de las fuerzas que unen los átomos, si hablamos de la resistencia mecánica esta si cambia en función de la forma de la muestra. Pero como nuestro gran interés es el uso de estas fibras para rehabilitar estructuras nos concentraremos en:

• Fibras de carbono
• Fibras de vidrio
• Fibras orgánicas (en especial la aramida)

FIBRAS DE CARBONO

Las fibras de carbono para materiales compuestos llegan a tener una alta resistencia y alto módulo de elasticidad, estas fibras hablando de sus medidas tienen un diámetro de 5 a 8μm y constan de pequeñas cristalitas de grafito. En una estructura monocristal de grafito los átomos de carbono se llegan a ordenar de una gran manera generando redes hexagonales.

Pero las imperfecciones en orientación dan como resultado, unos huecos que tienen una forma compleja ya que llegan a ser alargados y paralelos al eje de la fibra, esta orientación actúan como puntos de concentración de tensiones y puntos débiles que llevan a la reducción de las propiedades.

Estas fibras del carbono, gracias a lo anteriormente comentado, llegan a ser una e incluso se puede decir la más costosa y mas hablando de nuestro país Colombia ya que desafortunadamente este material no lo podemos encontrar aquí y su importación aumenta el costo. Las fibras típicas de carbono que son usadas en la industria de construcción llega a tener resistencias 10 veces más grandes que las del acero típico de grado 60 utilizado para el refuerzo y  es dos veces más fuertes que el acero utilizado para el proceso de pretensado por estos motivos resiste a la gran mayoría de ambientes, pero hay que tener especial cuidado con el carbono ya que al ser un material conductor si se encuentra en contacto con el acero aceleraría la corrosión (del acero).

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