1 1. Introduccin. Mediante la unin de diferentes materiales es posible obtener materiales compuestos que constituyen un elemento fabricado expresamente para mejorar los valores de las propiedades que los materiales constituyentes presentan por separado, los cuales de forma individual presentan inferiores caractersticas mecnicas, fsicas o qumicas de las que presenta el conjunto del material compuesto. Aquellos materiales compuestos generados por Fibras de Vidrio, son ampliamente conocidos en el mercado mundial con el nombre de GRC (Glass Fibre Reinforced Cement). Es un material con parte resistente constituida por un mortero de cemento Portland armada con Fibras de Vidrio las cuales son resistentes a los lcalis liberados con la hidratacin del cemento durante la vida del dicho copmuesto. 2. Antecedentes. Sometido a compresin el Hormign presenta muy buenas caractersticas, sin embargo ofrece muy escasa resistencia a la traccin, por lo que resulta inadecuado para elementos que tengan que actuar bajo esfuerzos de flexin o traccin. Esta caracterstica ha conducido a numerosas investigaciones y desarrollos para mejorar las resistencias ante estos sometimientos. Intentando lograr dentro del mundo de los materiales compuestos la solucin a esta carencia. Se lograron los primeros grandes desarrollos mediante la utilizacin de fibras de amianto. El material resultante, llamado Fibrocemento, presentaba grandes ventajas de costo y trabajabilidad. En bsqueda de un refuerzo que permitiera la consecucin de un material compuesto robusto, con excelentes prestaciones, se han desarrollado numerosas experiencias con otras fibras de refuerzo tales como las de origen orgnico (aramidas, nylon, rayon, polipropileno), inorgnico (vidrio, boro, carbono) y metlicas (hierro, fundicin dctil, acero, aluminio). Entre estas experiencias la mejor relacin costo-propiedades mecnicas la ostentan las Fibras de Vidrio ya que ofrecen una gran facilidad de trabajo y manejabilidad, conjugada con un carcter inocuo y seguro, otorgando a los materiales compuestos, grandes resistencias mecnicas. Los primeros ensayos y experiencias para el refuerzo de los cementos y sus morteros se realizaron con Fibras de Vidrio tipo E, (usadas normalmente para el refuerzo de plsticos y polisteres) dada la alta resistencia inherente de las mismas. Sin embargo, dichas tentativas fracasaron debido a que, este tipo de Fibra, al ser incorporada al mortero, estaba sujeto al ataque qumico de los cristales alcalinos producidos en el proceso de hidratacin del cemento, sin poderse remediar este problema. 2 El Dr. A. J. Majundar (1967), del Building Research Establishment (BRE) del Reino Unido, comenz a investigar los vidrios que contenan Circonio, convirtiendo en fibra alguno de ellos y demostrando la resistencia que presentaban estas fibras ante el ataque alcalino en un medio agresivo como el que supona el refuerzo de los cementos Portland. Tras 4 aos de continuas investigaciones al refuerzo duradero para los cementos se logr y la patente de esta investigacin fue solicitada por el National Research Development Corporation (NRDC). Para la produccin a escala comercial, el NRDC y BRE contactaron con la empresa inglesa Pilkington Brothers (PCL), quien con su Compaa subsidiaria Fibreglass Limited desarrollo la explotacin, industrial y comercial, del producto. En 1989 la Actividad de la Fibra de Vidrio Alcali-Resistente fue adquirida por el grupo Saint Gobain por medio de su delegacin en Espaa, Cristalera Espaola S. A. y fabricada y comercializada por la empresa Vetrotex Espaa S.A. que forma parte de este gran grupo. 3. Justificacin. Mediante la unin de diferentes materiales es posible obtener materiales compuestos que constituyen un elemento fabricado expresamente para mejorar los valores de las propiedades que los materiales constituyentes presentan por separado, los cuales de forma individual presentan inferiores caractersticas mecnicas, fsicas o qumicas de las que presenta el conjunto del material compuesto. 4. Planteamiento del problema. Frente a todas las aplicaciones de transformacin de las fibras de vidrio, es el refuerzo del hormign convencional la que mayores posibilidades y perspectivas de futuro presenta. Las aplicaciones de las fibras encuentran en el refuerzo del hormign un extenso campo de posibilidades, algunas de las cuales todava sin estudiar o en proceso de estudio por las Universidades y Laboratorios en todo el mundo, dada la actual necesidad de materiales alternativos a los tradicionales y ante la gran familia de productos de fibra. El empleo de las fibras, resistentes a los lcalis, en morteros de cemento ha aumentado firme y progresivamente desde hace ya ms de 30 aos pero, por el contrario, se ha presentado relativamente poca atencin a su uso en mezclas de hormign convencionales y a los grandes beneficios que a estas pueden aportar. 3 Las fibras de vidrio presentan un modulo elstico muy superior al de la mayora de las fibras orgnicas, como las de polipropileno, pero menor que el del acero. Todas estas fibras (inorgnicas, orgnicas y metlicas) han sido estudiadas con profundidad, pero en el caso de las fibras de vidrio las publicaciones editadas han sido muy escasas lo que ha conllevado un menor conocimiento de su empleo, hasta de su existencia, entre los diseadores, prescriptores, especificadores y fabricantes tanto de hormign preparado como de hormign para piezas prefabricadas en general. Una de las propiedades fundamentales de las fibras utilizadas para reforzarlos cementos, morteros y hormigones es el modulo elstico. A 72 GN/m2, el modulo del vidrio se encuentra entre el del acero y el del polipropileno, productos ambos utilizados en el hormign. 5. Objetivos. El objetivo general es el de plantear procedimientos de refuerzo del hormign y verificacin de la resistencia obtenida en el refuerzo con fibras de vidrio. 6. Marco conceptual. Como principal materia prima en la fabricacin de un GRC, se emplean las Fibras de Vidrios, mediante las cuales el GRC logra las caractersticas que se van a detallar en este estudio. En el Vidrio el componente que otorga a la fibra de vidrio su poder de Alcali-Resistencia es el Circonio (Zr). Los principales componentes de este vidrio son: Oxido de Circonio ZrO2 15% Slice SiO2 Almina Al2O3 Oxido de Sodio Na2O Oxido de Titanio TiO2 Oxido de Calcio CaO El proceso de fabricacin de la fibra sigue las siguientes etapas: Composicin y Fusin: Las materias primas, finamente molidas, se dosifican con precisin y se mezclan de forma homognea. A continuacin la mezcla, llamada vitrificable, es introducida en un horno de fusin directa y calentada a una temperatura determinada. Las temperaturas de fusin rondan los 1550C y estas dependern de los elementos constituyentes del vidrio (fundentes, formadores de red, etc). 4 Estas condiciones imponen a la hora de la construccin del horno la utilizacin de refractarios de caractersticas especificas a base de xidos de circonio y cromo, de costo muy elevado. Fibrado: El vidrio en estado fundido, al salir del horno, es conducido por unos canales alimentando las Hileras de Fabricacin de fibras. Estas hileras son elementos fabricados con aleaciones de Platino, de forma prismtica y con una base trabajada con un nmero determinado de agujeros de dimensiones controladas. La distribucin y diseo de los agujeros es tal que permiten y facilitan el fibrado del vidrio. El vidrio fundido se mantiene en la hilera a unos 1250C, temperatura que permite su colada por gravedad, dando origen a barras de vidrio de algunas dcimas de milmetro de dimetro. El calentamiento de la hileras para este proceso se realiza por efecto Joule, con una corriente de seguridad (bajo voltaje y gran amperaje). A la salida de la hilera, el vidrio se estira a gran velocidad, entre 10 y 60m/s segn el dimetro a obtener. El enfriamiento se realiza en una primera fase por radiacin y en una segunda por pulverizacin de agua fra. De esta forma se logra la no orientacin de las partculas en el espacio y por lo tanto la formacin de este slido amorfo que es el vidrio. El vidrio obtenido tras este proceso tiene forma de filamento de varias micras de dimetro. Los dimetros normales de filamentos oscilan entre las 14 y las 20 segn el producto y la aplicacin a la que se dirija. Ensimado: El conjunto de filamentos desnudos, tal y como salen de la hilera, son inutilizables directamente, ya que no hay cohesin entre ellos, no resisten la abrasin, carecen de flexibilidad y trabajabilidad, etc. Para corregir estos efectos y dar nuevas propiedades a la fibra es necesario revestir los filamentos con una fina pelcula (ensimaje) que est constituida en general por una dispersin acuosa de diversos compuestos qumicos que presentan una funcin bien definida. El ensimaje se deposita sobre los filamentos a la salida de la hilera cuando la temperatura del vidrio est todava comprendida entre los 60 y 120C, segn las condiciones de fibrado. La cantidad de ensimaje que se deposita sobre el vidrio es relativamente baja (entre el 0,5 y el 5 %). 5 Luego de la ensimacin se procede a la unin de los filamentos para formar los hilos o conjunto de filamentos dispuestos en formato comercial. La unin de los filamentos se realiza mediante unos peines con gargantas especiales en los cuales se produce la unin facilitada por el ensimaje. Es este proceso el que otorgar al filamento y al hilo las caractersticas especiales que: - Le har apto ante una aplicacin especfica. - Dar cohesin entre filamentos. - Dar resistencia frente a la abrasin que el filamento pueda sufrir consigo mismo, con otros filamentos o con otras superficies. - Elimina cargas electrostticas en los filamentos o unin de los mismos. - Facilita la trabajabilidad del filamento y su transformacin. - Rigidiza en mayor o menor medida la unin de los filamentos hilos. Existen ensimajes especiales para: - Resistir la abrasin que supone el amasado de la fibra en un medio extremadamente agresivo como es el de la mezcla con arena, cemento, agua y aditivos qumicos. - Facilitar su corte y proyeccin en una pistola especialmente diseada para estos procesos de transformacin de la fibra. - Facilitar la dispersin de los filamentos, esto es, facilitar la desunin entre filamentos. Bobinado: Los hilos obtenidos de la unin de los filamentos son bobinados para dar lugar a productos finales o productos intermedios, que se bobinan segn diferentes formas y geometras. En este proceso se controlar la velocidad del estirado de las fibras. Secado: Los productos procedentes del bobinado se pasan por diferentes dispositivos de secado con objeto de eliminar el exceso de agua en el que haba disuelto el ensimaje y otorgar al ensimaje un tratamiento trmico necesario para consolidar sus propiedades frente a las aplicaciones a las que ser sometido. Transformacin final: 6 Aqu se realizarn las operaciones necesarias para conferir al hilo el formato adecuado para la correcta utilizacin por parte de los fabricantes de GRC. De esta forma las presentaciones comerciales actuales del vidrio son: Roving Ensamblado: Este se obtiene de la unin de un nmero determinado de hilos, procedentes de ovillos, formando una mecha. La medida fsica de un hilo, y por extensin de una mecha, viene reflejada por el llamado ttulo con unidades denominadas TEX. As TEX= gr/km que presenta un hilo o una mecha. Para los Rovings Ensamblados la unidad en TEX habitual de la mecha es de 2450 Tex. Estando formada, en algunos productos u a modo de ejemplo, por 32 hilos de 76,5 tex/hilo o por 64 hilos de 38 tex/hilo. Todos los rovings tendrn en comn el mismo vidrio y se diferencian por el ensimaje. Los rovings van destinados a aplicaciones de proyeccin simultnea y a procesos de refuerzo con hilos continuos y/o cortados. Hilos cortados: Los hilos procedentes de los ovillos son, en este caso, cortados en longitudes determinadas, segn lo exija la aplicacin a la que vayan destinados. Estos se utilizan en procesos de amasado y aplicacin por medio del colado-vibrado tradicional o por el de proyeccin de la mezcla realizada. 7. Hiptesis. La unin de materiales de construccin permiten elevar las caractersticas resistentes del hormign, en especfico, las fibras de vidrio confieren al hormign armado una mayor resistencia. 8. Metodologa. Los mtodos a realizar para la investigacin son de vital importancia para verificar o rechazar la hiptesis, para ello se debe realizar una planificacin de la metodologa a seguir. Mtodo de Nivel Emprico. Experimento y Observacin: 7 -Se realizarn pruebas de laboratorio a una muestra de probetas de hormign armado reforzado con fibra de vidrio, con el propsito de obtener el grado de resistencia que tengan estas. Mtodo de Nivel Matemtico. -Determinar la relacin de costos de los hormigones con fibra de vidrio para determinar su factibilidad de elaboracin. Mtodo de Nivel Terico. -Obtener una base de datos de las caractersticas de los hormigones reforzados con fibra de vidrio. -Establecer el grado de influencia de la fibra de vidrio en la resistencia del hormigon. 9. Cronograma. Preliminarmente el tiempo tentativo para la culminacin de la presente investigacin est plasmado para un periodo de 240 das. Se realizarn las siguientes actividades principales: Elaboracin del Plan o Proyecto. Revisin Bibliogrfica. Organizacin. Elaboracin del Marco Terico. Obtencin de datos y variables de estudio. Estudio de la elaboracin y factibilidad del Hormign reforzado con fibra de vidrio Interpretacin de resultados. Elaboracin de Borrador de Informe de Investigacin. 8 10. Referencias Bibliogrficas. Datos obtenidos de las siguientes pginas de internet: www.fortius.be/SP www.dyd/fibras/fibras.html. (2008). Anejo 14 EHE, Recomendaciones para la utilizacin de Hormigones con fibra de vidrio.