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Fabricación de Probetas Bloque III 78 BLOQUE III: FABRICACIÓN DE PROBETAS. 1. INTRODUCCIÓN El objeto de realización del presente proyecto es estudiar la influencia de las propiedades geométricas de las fibras de polipropileno sobre la Energía de Fractura y sobre el Efecto Tamaño en hormigones de baja resistencia. Concretamente va a ser estudiada la influencia de la longitud y el espesor de las fibras de polipropileno. Para ello son necesarias al menos tres tipos de fibras diferentes: dos de igual espesor y diferente longitud, y otra de igual longitud a una de estas pero con diferente espesor. En este bloque dedicado a la fabricación de las probetas se van a caracterizar tanto el tipo de fibras como el tipo de hormigón utilizado para los estudios. Además se justificará el número y dimensiones de probetas fabricadas de acuerdo a los resultados que se pretenden obtener. Habrá un apartado dedicado a la fabricación de los moldes para las probetas de efecto tamaño, ya que estos no están normalizados. Se hace especial hincapié en llevar a cabo un estricto protocolo de hormigonado, el cual se especifica en este documento. Finalmente hay un apartado dedicado al curado del hormigón y sus condiciones. 2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES. Los diferentes tipos de fibras utilizadas para el estudio, suministradas por Geotexan S.A., se caracterizan por cuatro parámetros principales, que son: espesor medido en “dtex”, longitud (mm), tenacidad (cN/tex) y elongación hasta rotura (%). Los tres tipos de fibras tienen idéntica tenacidad y elongación pero diferente longitud y espesor. La denominación de las fibras junto con sus propiedades se muestra en la Tabla 2.1.
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Fabricación de Probetas Bloque III
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BLOQUE III: FABRICACIÓN DE PROBETAS.
1. INTRODUCCIÓN
El objeto de realización del presente proyecto es estudiar la influencia de las
propiedades geométricas de las fibras de polipropileno sobre la Energía de Fractura y
sobre el Efecto Tamaño en hormigones de baja resistencia.
Concretamente va a ser estudiada la influencia de la longitud y el espesor de las
fibras de polipropileno. Para ello son necesarias al menos tres tipos de fibras diferentes:
dos de igual espesor y diferente longitud, y otra de igual longitud a una de estas pero
con diferente espesor.
En este bloque dedicado a la fabricación de las probetas se van a caracterizar tanto
el tipo de fibras como el tipo de hormigón utilizado para los estudios. Además se
justificará el número y dimensiones de probetas fabricadas de acuerdo a los resultados
que se pretenden obtener.
Habrá un apartado dedicado a la fabricación de los moldes para las probetas de
efecto tamaño, ya que estos no están normalizados. Se hace especial hincapié en llevar a
cabo un estricto protocolo de hormigonado, el cual se especifica en este documento.
Finalmente hay un apartado dedicado al curado del hormigón y sus condiciones.
2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES.
Los diferentes tipos de fibras utilizadas para el estudio, suministradas por Geotexan
S.A., se caracterizan por cuatro parámetros principales, que son: espesor medido en
“dtex”, longitud (mm), tenacidad (cN/tex) y elongación hasta rotura (%). Los tres tipos
de fibras tienen idéntica tenacidad y elongación pero diferente longitud y espesor. La
denominación de las fibras junto con sus propiedades se muestra en la Tabla 2.1.
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Denominación
Espesor
(dtex)
Longitud
(mm)
Tenacidad
(cN/tex)
Elongación
(%)
G1A 6.7 6 50 7.5
G1C 6.7 24 50 7.5
G2C 8.9 24 50 7.5
Tabla 2.1: Propiedades geométricas y mecánicas de las fibras
Figura 2.1: Tres tipos de fibras G1C, G2C y G1A. Comparación de tamaños.
Para realizar un completo estudio se realizan cuatro amasadas diferentes. Una
primera sin fibras, para tener un hormigón de control sobre el que se pueda observar la
influencia de los diferentes tipos de fibras, y otras tres amasadas con las fibras G1A,
G1C y G2C.
Figura 2.2: Fibras tipo G1C
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Para la fabricación del hormigón se utiliza una grava de canto rodado de
granulometría pequeña, comúnmente denominada arrocillo, con un tamaño máximo del
árido dmax=6 mm. En el siguiente epígrafe se justificará el uso de este tipo de grava para
los ensayos. En cuanto al tipo de arena utilizada debe ser compatible con la grava
utilizada y por tanto también debe ser de un tamaño máximo de árido pequeño,
concretamente dmax=1.5/2 mm. El tipo de cemento utilizado es CEM II de 32.5 MPa.
3. JUSTIFICACIÓN DEL NÚMERO Y TAMAÑO DE LAS PROBETAS
Se van a realizar ensayos sobre hormigones reforzados con tres tipos de fibras
diferentes y un hormigón sin fibras (SF, G1A, G1C y G2C), por lo que la justificación
sobre el tamaño y el número de probetas que a continuación se realiza es la misma para
cada tipo de hormigón.
Uno de los objetivos de este proyecto es el estudio del Efecto Tamaño ya comentado
en bloques anteriores. Para poder tener resultados sobre esta propiedad es necesario,
obviamente, considerar probetas de diferentes tamaño.
Debe de quedar claro el que el objetivo del estudio es conocer la influencia
únicamente de las propiedades geométricas de las fibras, para lo cual habrá que evitar
cualquier otro tipo de influencia sobre el efecto tamaño conocido con anterioridad.
Las recomendaciones que realizan algunos autores [1], para obtener los coeficientes
de efecto tamaño, cf y Gf, indican que son necesarios al menos tres tamaños diferentes
de probetas para tener unos resultados aceptables. Se recomienda que el canto menor no
sea mayor de cinco veces el tamaño máximo del árido; que el canto de la probeta de
mayor tamaño no sea menor que quince veces el tamaño máximo del árido; y que la
relación entre los cantos de las probetas de mayor tamaño y las de menor tamaño sea al
menos cuatro. Además recomiendan que el mínimo número de probetas a ensayar del
mismo tamaño sea de tres, para tener resultados estadísticamente aceptables. Por otro
lado, se aconseja, que todas las probetas sean geométricamente similares en dos
dimensiones, siendo la tercera dimensión, el ancho, constante para todas las probetas.
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Variaciones en el ancho de las probetas pueden introducir efecto tamaño debido al calor
de hidratación y a la retracción durante el secado [1].
Teniendo en cuenta lo anterior se tendrán tres probetas de tres tamaños diferentes. El
canto de las probetas se designará por D1, D2 y D3, de menor a mayor tamaño, el canto
constante B y la profundidad inicial de la entalla se designa por a0. Las
recomendaciones anteriores en términos matemáticos se resumen en:
D1<5g; Dn>15g; Dn/D1≥4;
El segundo de los objetivos de la realización del presente proyecto es el estudio de la
variación de la Energía de Fractura. Es importante de nuevo comentar que debe evitarse
cualquier tipo de influencia sobre la Energía de Fractura de otros factores distintos a las
propiedades geométricas de las fibras de polipropileno.
De estudios anteriores [1] es conocido la influencia que tienen sobre la Energía de
Fractura el canto (D), la relación (a0/D, denominada α), el ancho (B) y la distancia entre
apoyos (S).
Las probetas que se utilizan para efecto tamaño, de diferentes cantos (D), serán
igualmente válidas para el cálculo de la energía específica de fractura. El problema de
esto es que existirá una variación en los resultados de la energía de fractura con el canto
(D). Por tanto en el diseño de las probetas a ensayar se mantendrán constantes: el ancho
(B), la relación (α= a0/D) y la relación distancia entre apoyos/canto (S/D).
Otro de las factores más importantes a la hora de decidir las dimensiones de las
probetas son las limitaciones de la máquina de ensayos, la cual permite una longitud
máxima de 1000 m, un ancho máximo de 500 mm y un canto máximo de 500 mm.
Para poder observar en fenómeno de efecto tamaño se tomarán las siguientes
relaciones de diámetros:
�� = 2 · �� ; � = 4 · �� ;
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De acuerdo con la teoría de la Resistencia de Materiales, la tensión en una probeta a
flexión en tres puntos viene dada por la expresión:
� =�
=
� · �4�
� · ��
6�=
3 · � · �
2 · � · ��
Como interesa conocer la influencia del canto, se toma la relación S/D=cte y el
ancho B=cte. Si consideramos una probeta de unas determinadas dimensiones (D1, B1,
S1) y otra del doble de canto (D2=2D1; B2=B1; S2=2S1), entonces, suponiendo que la
tensión en el estado último de carga es la misma para los dos tamaños:
��� = 2 · ���
La ley de Efecto Tamaño de la Mecánica de la Fractura demuestra que esta carga Pu2
no es el doble de la carga Pu1, sino que realmente es menor. Un canto (B) y una relación
(S/D) constantes, presenta una similitud geométrica bidimensional.
Teniendo en cuenta todas las recomendaciones y justificaciones anteriores, se toma
un tamaño para la primera probeta adecuado para los ensayos en la máquina de
laboratorio tal que �� = 60 �� � � = 60 ��, por tanto el resto de dimensiones son:
Ancho B
(mm)
Canto D
(mm)
Longitud L
(mm)
Distancia entre
apoyos S (mm)
ET1 60 60 270 240
ET2 60 120 540 480
ET3 60 240 1080 960
Tabla 3.1: Dimensiones de las probetas de Efecto Tamaño
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Figura 3.1: Dimensiones de las probetas.
Figura 3.2: Probetas de Efecto Tamaño.
El número de probetas realizadas para cada tipo de hormigón son:
• Tres probetas denominadas de Efecto Tamaño 1 (en adelante ET1) de
dimensiones 270x60x60, con una entalla centrada de 30 mm de profundidad.
• Tres probetas denominadas de Efecto Tamaño 2 (en adelante ET2) de
dimensiones 540x120x60, con una entalla centrada de 60 mm de
profundidad.
• Tres probetas denominadas de Efecto Tamaño 3 (en adelante ET3) de
dimensiones 1080x240x60, con una entalla centrada de 120 mm de
profundidad.
• Ocho probetas cilíndricas normalizadas de 300x150 mm.
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• Tres probetas prismáticas normalizadas de 600x150x150 mm.
Se puede comprobar que estas dimensiones cumplen todas las especificaciones
recomendadas en este epígrafe. Se observa que se mantienen constantes las relaciones
S/D=4; α=a0/D=0.5 (relación recomendada por la RILEM), y el canto en todas las
probetas. Además para el tamaño máximo de áridos utilizado (dmax=6 mm), se cumple
que:
�� = 60 < 5 ���� = 30;
� = 240 > 15 ���� = 90;
���
� = 4;
Para completar el estudio es necesario caracterizar el hormigón por medio de los
ensayos característicos de compresión, tracción indirecta (brasileño) y flexo-tracción.
Para ello se tomarán de cada una de las cuatro amasadas ocho probetas cilíndricas
normalizadas (300x150 mm) para los ensayos de compresión y brasileño, y tres
probetas prismáticas (600x150x150 mm) para los ensayos de flexo-tracción.
La fabricación de las probetas de efecto tamaño requieren el montaje de moldes con
las dimensiones establecidas lo cual se describe en el siguiente epígrafe. No obstante,
los moldes de las probetas prismáticas y cilíndricas están normalizados y disponibles en
el laboratorio.
Figura 3.3: Moldes normalizados para probetas cilíndricas y prismáticas.
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4. FABRICACIÓN DE MOLDES
Para la fabricación de las probetas cilíndricas y prismáticas para flexo-tracción se
utilizan moldes normalizados, sin embargo los moldes para las probetas de Efecto
Tamaño son necesarios construirlos en el laboratorio.
Figura 4.1: Moldes para probetas ET1
Se construyen tres módulos (para ET1, ET2 y ET3) con tres moldes para cada
tamaño. Los moldes se construyen con unos perfiles en “L” metálicos atornillados sobre
una base de madera aglomerada. La base de los moldes se fabrica en madera dada su
alta trabajabilidad, ya que uno de las características fundamentales que ha de tener un
molde es la fácil extracción de las probetas. La madera tiene un tratamiento superficial
para favorecer la extracción de las probetas.
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Figura 4.2: Moldes para probetas ET3
Para realizar la entalla en la probeta se utiliza una lámina de vinilo de 3 mm de
espesor. El vinilo tiene una superficie muy lisa lo cual favorece que no se adhiera al
hormigón al desmoldar. La placa de vinilo se coloca sobre una apertura practicada en el
perfil metálico de forma que quede lo mas estanca posible.
Para evita que el hormigón fluya por las posibles grietas que quedan en el molde se
aplica a los moldes un sellante como puede observarse en la figura 4.3. Tras la
colocación de la silicona sellante, antes de rellenar los moldes, se aplica aceite
desencofrante que facilita la posterior extracción de la probeta.
Por último, cabe comentar que se ha de tener especial cuidado en la nivelación de
los moldes para evitar tolerancias excesivas en las dimensiones de las probetas,
especialmente en el ancho.
El alto número de tornillos que tiene cada molde, junto con el sellante de los huecos,
dificultan la limpieza de los moldes, labor que requiere un tiempo a considerar.
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Figura 4.3: Detalle de placa de vinilo para la creación de la entalla.
5. DOSIFICACIÓN
Para obtener la dosificación requerida es necesario seguir los siguientes pasos:
1. Realizar un análisis granulométrico de la grava y de la arena. El análisis se
realiza utilizando tamices normalizados. Una vez realizado el análisis de la
granulometría se obtienen las curvas granulométricas de la grava y la arena y de
ellas los módulos granulométricos ma y mg.
2. Obtención de la dosificación de los áridos de acuerdo a las ecuaciones
siguientes:
�� · !� + �# · !# = �$
!� + !# = 1
donde mf es el módulo granulométrico teórico de Fuller.
3. Resistencia media (fcm). La resistencia media se tiene a partir de la resistencia
característica deseada del hormigón. Existen diversas correlaciones, propuestas
por el Código Modelo, Código ACI… etc.
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4. Relación agua-cemento A/C. Este es de entre todos los parámetros el más
influyente en la resistencia final que tendrá el hormigón. Hormigones con igual
dosificación y distintas cantidades de agua, el hormigón más seco presentará
mayos resistencia que el hormigón con mayor cantidad de agua. Es por esto por
lo que la relación agua-cemento viene determinada por la resistencia media
deseada para el hormigón.
5. Consistencia del hormigón. El hormigón puede tener diferentes consistencias
según la cantidad de agua que posea. Se definen consistencias seca, plástica,
blanda, fluida y líquida. La consistencia deseada junto con el tipo de árido se
tiene la cantidad de agua total (A). Para comprobar la consistencia de un
hormigón se utiliza el Cono de Abraham.
6. Dosificación inicial. Siguiendo los pasos anteriores se tiene la relación C/A.
7. Correcciones. Finalmente sobre la dosificación inicial se realizan una serie de
correcciones por vibrado, para hormigón en masa y por humedad de los áridos.
Finalmente se obtiene una dosificación por cada metro cúbico de hormigón tal como
se muestra en la Tabla 5.1.
Elemento Cantidad (kg/m3)
Cemento (C) 500
Arena húmeda (ArH) 731.8
Humedad (H) 6.8 %
Grava (Gr) 894.5
Agua añadida (A’) 250
Fibra (F) 1.2
Tabla 5.1: Dosificación final.
En la dosificación anterior sólo aparecen cantidades medibles directamente como
son la arena húmeda (ArH) y la cantidad de agua añadida (A’). Esto es así porque esta
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dosificación está calculada para una humedad en base seca de la arena del 6.8 %.
Debido a que la humedad de la arena puede cambiar según el día en que se realice la
amasada, tanto la cantidad de arena húmeda como la cantidad de agua añadida
cambiarán con la humedad de la arena de forma que la cantidad total de agua (Atot) y la
cantidad de arena seca (ArS) sean en todo momento constante. Con esto estamos
suponiendo que la grava y el cemento no tienen humedad.
6. PROTOCOLO DE HORMIGONADO
Es sabido que uno de los inconvenientes que tienen las estructuras de hormigón es la
dificultad de obtener un hormigón final de unas características determinadas, debido a la
influencia de factores aleatorios de difícil control. Pequeños cambios en la relación
agua/cemento debidos a la humedad de la arena; una distribución no homogénea de los
áridos del hormigón debido a un insuficiente tiempo de amasada o a una excesiva
vibración; un curado a humedades no adecuadas, son factores que deben controlarse al
máximo a la hora de fabricar hormigón.
Es por todo lo anterior por lo que se ha seguido un estricto protocolo de
hormigonado. Para medir las cantidades de arena, grava y cemento se ha utilizado una
báscula y para medir la cantidad de agua y de fibras una de mayor precisión como se
puede observar en la figura 6.1.
Figura 6.1: Básculas para medición de cantidades
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A continuación se detalla el protocolo seguido para la fabricación del hormigón:
1. Mojado de la hormigonera antes de comenzar el hormigonado y dejar secar
durante 3 minutos.
2. Verte la grava en la hormigonera y girar durante 60 segundos.
3. Añadir la arena y girar arena y grava durante otros 60 segundos.
4. Verter el cemento. Para girar con el cemento se colocar una tapadera a la
hormigonera para evitar que pierda cemento ya que este es muy volátil. Se
remueven la arena, grava y cemento durante otros 60 segundos.
5. Se añade la cantidad de agua necesaria a la mezcla anterior. En caso de ser
hormigón con fibras, primero se disuelve la fibra en el agua y se añaden
sendas a la arena, grava y cemento en la hormigonera. Se gira todo lo
anterior durante 7 minutos. Pasado ese tiempo se extrae el hormigón y se
vierte directamente en los moldes preparados.
6. Una vez rellenos los moldes se vibran las probetas para obtener una buena
adaptación del hormigón al molde y se enrasan. La vibración no ha de ser
excesiva para evitar heterogeneidades en el hormigón.
Figura 6.2: Vibrado de las probetas de efecto tamaño.
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Figura 6.3: Probetas enrasadas listas para desmoldar a las 24 horas
7. Finalmente se dejan reposar 24 horas y se desmoldan cuidadosamente. Las
probetas permanecen en una cámara húmeda durante al menos 28 días.
Este protocolo de hormigonado se ha seguido escrupulosamente para la fabricación
de las probetas, pero cabe decir, que aun así, en hormigón, es muy difícil evitar la
influencia de agentes externos que condicionen las propiedades de este.
6.1 Adicción de las fibras de polipropileno al hormigón
Una de las preguntas que surgen a la hora de fabricar un hormigón con fibras es:
¿Cómo se añaden las fibras al hormigón para tener una distribución lo más homogénea
posible? Se comprobó en ensayos previos que si la fibra se añade en la fase seca, es
decir, junto con la arena, grava y cemento antes que el agua, se forman pequeñas bolas
de fibras (Figura 6.4). Lógicamente al añadir posteriormente el agua la fibra no se
distribuye de forma homogénea por toda la masa de hormigón, quedando zonas de la
masa del hormigón con mayores concentraciones de fibras que condicionarían los
resultados obtenidos. Es necesario por tanto, buscar cómo y en qué momento se añaden
las fibras para conseguir una distribución lo más homogénea posible.
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Figura 6.4: Fibras apelmazadas por su adicción en la fase seca.
Figura 6.5: Distribución homogénea de las fibras.
La solución para mejorar la distribución de fibras en el hormigón es mezclar las
fibras inicialmente con el agua, removiéndose fuertemente, e inmediatamente, para
evitar que se depositen, verterla sobre la hormigonera en la que se encuentran ya
mezclados la arena, arcilla y cemento. En la figura 6.5 se observa cómo están las fibras
distribuidas de forma uniforme utilizando esta técnica de adicción de fibras.
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7. CURADO DEL HORMIGÓN
Se llama curado del hormigón al proceso de protección del hormigón que hace
posible el endurecimiento de la mezcla en condiciones óptimas. El curado del hormigón
es sencillo de realizar y con un buen curado, el hormigón tendrá un buen
comportamiento.
Las probetas permanecen en los moldes 24 horas y posteriormente se introducen en
una cámara donde permanecen húmedas. La humedad óptima para un correcto curado
del hormigón es del 98 %. Las probetas permanecerán durante un periodo de al menos
28 días antes de ser ensayadas.
Debido a que la realización de los ensayos de las probetas requieren un mayor
tiempo que su hormigonado, no se ensayan todas las probetas con la misma edad. No
obstante, se pretende que las edades de las probetas sean aproximadamente iguales. A
continuación se muestra una tabla en la que se indican, la fecha de hormigonado, la
fecha de ensayo y la edad de cada probeta.
PLAN DE ENSAYOS DE PROBETAS DE HORMIGÓN
Denominación Hormigonadas Ensayadas Edad
SF_ET1_1 04.10.07 04.12.07 61 SF_ET1_2 04.10.07 05.12.07 62 SF_ET1_3 04.11.07 07.12.07 64 SF_ET2_1 04.11.07 07.12.07 64 SF_ET2_2 04.10.07 10.12.07 67 SF_ET2_3 04.10.07 10.12.07 67 SF_ET3_1 04.10.07 11.12.07 68 SF_ET3_2 04.10.07 11.12.07 68 SF_ET3_3 04.10.07 11.12.07 68
G1A_ET1_1 07.11.07 12.12.07 35 G1A_ET1_2 07.11.07 13.12.07 36 G1A_ET1_3 07.11.07 13.12.07 36
Compresión G1A 07 y 08.11.07 14.12.07 36 y 37 Brasileño G1A 07 y 08.11.07 14.12.07 36 y 37
Flexo traccion G1A 07 y 08.11.07 14.12.07 36 y 37 G1A_ET2_1 08.11.07 14.12.07 37 G1A_ET2_2 08.11.07 19.12.07 41 G1A_ET2_3 08.11.07 20.12.07 42
Flexotraccion G1C 13.11.07 20.12.07 37 G1A_ET3_1 07.11.07 21.12.07 42 G1A_ET3_2 07.11.07 21.12.07 42 G1A_ET3_3 07.11.07 21.12.07 42
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G1C_ ET1_1 13.11.07 21.12.07 38 G1C_ ET1_2 13.11.07 21.12.07 38 G1C_ ET1_3 13.11.07 21.12.07 38
Compresion G1C 13.11.07 21.12.07 38 Brasileño G1C 13.11.07 21.12.07 38 G1C_ET2_1 13.11.07 24.12.07 41 G1C_ET2_2 13.11.07 24.12.07 41 G1C_ET2_3 13.11.07 24.12.07 41 G1C_ET3_1 13.11.07 28.12.07 45 G1C_ET3_2 13.11.07 31.12.07 48 G1C_ET3_3 13.11.07 31.12.07 48 G2C_ET1_1 15.11.07 02.01.08 48 G2C_ET1_2 15.11.07 02.01.09 48 G2C_ET1_3 15.11.07 - -
Compresion G2C 15 y 19.11.07 31.12.07 42 y 46 Brasileño G2C 15 y 19.11.07 31.12.07 42 y 46
Flexo tracción G2C 15 y 19.11.07 31.12.07 42 y 46 G2C_ET3_1 19.11.07 04.01.08 46 G2C_ET3_2 19.11.07 09.01.08 51 G2C_ET3_3 19.11.07 09.01.08 51 G2C_ET2_1 15.11.07 11.01.08 57 G2C_ET2_2 15.11.07 11.01.09 58 G2C_ET2_3 15.11.07 11.01.10 59
Tabla 7.1: Fechas de hormigonado y de ensayo de las probetas
