Compuesto cementicio diseñado

Hormigón maleable

El compuesto cementicio diseñado (ECC), también llamado compuesto a base de cemento de endurecimiento por deformación (SHCC) o más popularmente como hormigón flexible , es un compuesto a base de mortero fácilmente moldeable reforzado con fibras aleatorias cortas especialmente seleccionadas, generalmente fibras de polímero . ^{[1] A diferencia} del hormigón normal , el ECC tiene una capacidad de deformación por tracción en el rango de 3 a 7 %, ^[1] en comparación con el 0,01 % de la pasta, el mortero o el hormigón de cemento Portland (OPC) ordinario. Por lo tanto, el ECC actúa más como un material metálico dúctil en lugar de un material de vidrio quebradizo (como lo hace el hormigón OPC), lo que lleva a una amplia variedad de aplicaciones.

Desarrollo

El ECC, a diferencia del hormigón reforzado con fibras común , es una familia de materiales diseñados micromecánicamente . ^{[2] [3]} Siempre que un material cementicio se diseñe/desarrolle con base en la teoría de la micromecánica y la mecánica de fracturas para presentar una gran ductilidad de tracción, se puede llamar ECC. Por lo tanto, el ECC no es un diseño de material fijo, sino una amplia gama de temas en diferentes etapas de investigación, desarrollo e implementación. La familia de materiales ECC se está expandiendo. El desarrollo de un diseño de mezcla individual de ECC requiere esfuerzos especiales mediante la ingeniería sistemática del material a escalas nano, micro, macro y compuesta.

El hormigón de estructura de hormigón (ECC) es similar al hormigón convencional a base de cemento Portland, excepto que puede deformarse (o doblarse) bajo tensión. ^[1] Varios grupos de investigación están desarrollando la ciencia del ECC, incluidos los de la Universidad de Michigan , la Universidad de California, Irvine , la Universidad Tecnológica de Delft , la Universidad de Tokio , la Universidad Técnica Checa , la Universidad de Columbia Británica y la Universidad de Stanford . La falta de durabilidad del hormigón tradicional y su falla bajo tensión, ambas derivadas de su comportamiento frágil, han sido un factor impulsor del desarrollo del ECC.

Propiedades

El ECC tiene una variedad de propiedades únicas, incluidas propiedades de tracción superiores a otros compuestos reforzados con fibra , facilidad de procesamiento a la par con el cemento convencional, el uso de solo una pequeña fracción de volumen de fibras (~ 2 %), ancho de grieta estrecho y falta de planos anisotrópicamente débiles. ^[4] Estas propiedades se deben en gran medida a la interacción entre las fibras y la matriz de cementación, que se puede adaptar a medida a través del diseño micromecánico. Esencialmente, las fibras crean muchas microfisuras con un ancho muy específico, en lugar de unas pocas grietas muy grandes (como en el hormigón convencional). Esto permite que el ECC se deforme sin fallas catastróficas.

Este comportamiento de microfisuras conduce a una resistencia superior a la corrosión (las grietas son tan pequeñas y numerosas que es difícil que los medios agresivos penetren y ataquen el acero de refuerzo), así como a la autocuración. ^{[5] [6] [7]} En presencia de agua (durante una tormenta, por ejemplo), las partículas de cemento sin reaccionar expuestas recientemente debido al agrietamiento se hidratan y forman una serie de productos ( hidratos de silicato de calcio (CSH), calcita , etc.) que se expanden y rellenan la grieta. Estos productos aparecen como un material de "cicatriz" blanco que rellena la grieta. Este comportamiento de autocuración no solo sella la grieta para evitar el transporte de fluidos, sino que también se recuperan las propiedades mecánicas. Esta autocuración se ha observado en una variedad de cementos y hormigones convencionales; sin embargo, por encima de un cierto ancho de grieta, la autocuración se vuelve menos efectiva. Son los anchos de grieta estrictamente controlados que se ven en ECC los que garantizan que todas las grietas se curen por completo cuando se exponen al entorno natural.

Cuando se combinan con un material más conductor, todos los materiales de cemento pueden aumentar su conductividad y utilizarse para detectar daños. Esto se basa esencialmente en el hecho de que la conductividad cambiará a medida que se produzcan daños; la adición de material conductor tiene como objetivo aumentar la conductividad a un nivel en el que dichos cambios se puedan identificar fácilmente. Aunque no es una propiedad material del ECC en sí, se están desarrollando ECC semiconductores para la detección de daños ^{[8] [9] .}

Tipos

Existen diferentes variedades de ECC, entre las que se incluyen:

• Los hormigón celular livianos (es decir, de baja densidad) se han desarrollado mediante la adición de huecos de aire, burbujas de vidrio, esferas de polímero y/o agregados livianos. En comparación con otros hormigones livianos, el hormigón celular liviano tiene una ductilidad superior. Las aplicaciones incluyen casas flotantes, barcazas y canoas.
• El término "hormigón autocompactante" hace referencia a un hormigón que puede fluir por su propio peso. Por ejemplo, un material autocompactante podría llenar un molde que contuviera un refuerzo de acero preposicionado de manera elaborada sin necesidad de vibración o sacudidas para garantizar una distribución uniforme. El hormigón autocompactante se desarrolló mediante el uso de aditivos químicos para reducir la viscosidad y mediante el control de las interacciones de las partículas con la dosificación de la mezcla.
• Los ECC pulverizables, que se pueden pulverizar neumáticamente desde una manguera, se han desarrollado utilizando varios agentes superplastificantes y aditivos reductores de viscosidad. En comparación con otros compuestos pulverizables reforzados con fibra , los ECC pulverizables tienen una mayor capacidad de bombeo, además de sus propiedades mecánicas únicas. Los ECC pulverizables se han utilizado para trabajos de modernización/reparación y revestimientos de túneles/alcantarillados.
• En 1998 se desarrolló por primera vez un ECC extruible para su uso en la extrusión de tuberías. Las tuberías ECC extruidas tienen mayor capacidad de carga y mayor deformabilidad que cualquier otra tubería compuesta reforzada con fibra extruida.

Aplicaciones de campo

Los ECC se han utilizado en una serie de aplicaciones a gran escala en Japón, Corea, Suiza, Australia y los EE. UU. [3]. Entre ellas se incluyen:

• La presa Mitaka, cerca de Hiroshima , fue reparada con ECC en 2003. ^[10] La superficie de la presa, que entonces tenía 60 años, estaba gravemente dañada y mostraba evidencias de grietas, desconchados y algunas filtraciones de agua. Se aplicó una capa de ECC de 20 mm de espesor mediante pulverización sobre la superficie de 600 ^m2 .
• También en 2003, se reparó un muro de contención de tierra en Gifu, Japón, utilizando cemento ECC. ^{[11] No se pudo utilizar} cemento Portland común debido a la gravedad de las grietas en la estructura original, que habrían causado grietas reflejas. El cemento ECC tenía como objetivo minimizar este peligro; después de un año, solo se observaron microfisuras de ancho tolerable.
• El edificio de apartamentos de gran altura Glorio Roppongi de 95 m (312 ft) en Tokio contiene un total de 54 vigas de acoplamiento ECC (dos por piso) destinadas a mitigar el daño sísmico. ^{[12] Las propiedades del ECC (alta tolerancia al daño, alta absorción de energía y capacidad de deformarse bajo esfuerzo cortante) le otorgan propiedades superiores en aplicaciones de resistencia sísmica en comparación con} el cemento Portland común . Estructuras similares incluyen la Torre Nabeaure Yokohama de 41 pisos (cuatro vigas de acoplamiento por piso).
• El puente Mihara de 1 km (0,62 mi) de longitud en Hokkaido , Japón, se abrió al tráfico en 2005. ^[13] La plataforma de la carretera reforzada con acero contiene casi 800 m3 de material ECC. La ductilidad a la tracción y el comportamiento de control de grietas ajustado del ECC llevaron a una reducción del 40% en el material utilizado durante la construcción.
• De manera similar, en 2005 se completó un tablero de puente ECC de 225 mm de espesor en la carretera interestatal 94 en Michigan. ^{[14] [15]} Se utilizaron 30 m3 ^de material, entregados en el lugar en camiones mezcladores estándar. Debido a las propiedades mecánicas únicas del ECC, esta plataforma también utilizó menos material que una plataforma propuesta hecha de cemento Portland común. Tanto la Universidad de Michigan como el Departamento de Transporte de Michigan están monitoreando el puente en un intento de verificar la durabilidad superior teórica del ECC; después de cuatro años de monitoreo, el rendimiento no disminuyó.
• El primer parche de reparación de ECC autocompactante y de alta resistencia inicial se colocó en el puente de Ellsworth Road sobre la US-23 en noviembre de 2006. ^{[16] [17]} El ECC de alta resistencia inicial puede alcanzar una resistencia a la compresión de 23,59 ± 1,40 MPa (3422,16 ± 203,33 psi) en cuatro horas y 55,59 ± 2,17 MPa (8062,90 ± 315,03 psi) en 28 días, lo que permite una reparación rápida y la reapertura de la sesión al tráfico. La reparación de ECC de alta resistencia inicial ha demostrado una durabilidad superior a largo plazo en condiciones de campo en comparación con los materiales de reparación de hormigón típicos.

Comparación con otros materiales compuestos

Nota: FRC=Cemento reforzado con fibra. HPFRCC=Compuestos cementicios reforzados con fibra de alto rendimiento

Véase también

• Compuestos cementicios reforzados con fibra de alto rendimiento

Referencias

1. "Una breve introducción a la tecnología ECC y a la red ECC". www.engineeredcomposites.com/ . Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2007 . Consultado el 3 de noviembre de 2007 .
2. VC Li: De la mecánica a la ingeniería estructural: el diseño de compuestos cementicios para aplicaciones de ingeniería civil Ingeniería estructural/Ingeniería sísmica (1993) 10:37s-48s
3. Li, M., y Li, VC , “Reología, dispersión de fibras y propiedades robustas de compuestos cementicios diseñados”, Materiales y estructuras, 46 (3): 405-420, 2012.
4. MD Lepech y VC Li : “Procesamiento a gran escala de compuestos cementicios diseñados”. ACI Materials Journal (2008) 105:358-366.
5. Minard, Anne (5 de mayo de 2009). "El hormigón maleable se cura solo, sólo hay que añadir agua". National Geographic News . National Geographic. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2009 . Consultado el 6 de mayo de 2009 .
6. Li, M., y Li, VC , "Agrietamiento y curación de compuestos cementicios diseñados en un entorno de cloruro", ACI Materials Journal, vol. 108, n.º 3, mayo-junio de 2011, págs. 333-340.
7. Sahmaran, M., Li, M. y Li, VC , “Propiedades de transporte de compuestos cementicios diseñados bajo exposición al cloruro”, ACI Materials Journal, vol. 104, n.º 6, noviembre de 2007, págs. 604-611.
8. Li, M., Lin, V., Lynch, J. y Li, VC , “Compuestos cementicios de ingeniería con negro de carbono multifuncionales para la protección de infraestructura crítica”, Actas de la 6.ª Conferencia internacional RILEM sobre compuestos de cemento reforzados con fibra de alto rendimiento, Ann Arbor, MI, 20 al 22 de junio de 2011.
9. Lin, V., Li, M., Lynch, J. y Li., VC , “Caracterización mecánica y eléctrica del ECC de negro de carbón autodetección”, SPIE Smart Structures and Materials, Nondestructive Evaluation and Health Monitoring, San Diego, CA, 6 al 11 de marzo de 2011.
10. Red de tecnología ECC - Presa Mitaka, consultado el 11/11/09
11. VC Li, G. Fischer y MD Lepech: proyección de hormigón con ECC , Spritzbeton Tagung (2009)
12. El hormigón maleable minimiza los problemas de agrietamiento y fractura , Boletín MRS (2006) 31: págs. 862
13. Red de Tecnología – Puente Mihara” consultado el 28/10/09
14. MD Lepech y VC Li: Aplicación de ECC para losas de unión de tableros de puentes , Materiales y estructuras (2009) 42:1185–1195
15. Li, VC, Lepech, M. y Li, M., “Demostración de campo de losas de enlace duraderas para tableros de puentes sin juntas basadas en compuestos cementicios endurecidos por deformación”, Informe de investigación RC-1471 del Departamento de Transporte de Michigan, diciembre de 2005, 265 páginas.
16. Li, VC, Li, M. y Lepech, M., “Material de alto rendimiento para reparaciones rápidas y duraderas de puentes y estructuras”, Informe de investigación RC-1484 del Departamento de Transporte de Michigan, diciembre de 2006, 142 páginas.
17. Li, M., Diseño multiescala para reparación duradera de estructuras de hormigón, tesis doctoral, Universidad de Michigan, 2009.

Enlaces externos

• Grupo de investigación ECC de Victor Li en la Universidad de Michigan
• Programa de investigación de sistemas compuestos e híbridos entre Estados Unidos y Japón
• Encuestas sobre la investigación y el desarrollo de compuestos cementicios de ingeniería